Tekst: Bas Roestenberg COLD ATOM LABORATORY: DIEPVRIESKIST IN DE RUIMTE SPEURTOCHT NAAR DE LAAGSTE TEMPERATUUR Het Cold Atom Laboratory van NASA. 24
Het International Space Station (ISS) draait inmiddels zo n 20 jaar zijn rondjes om de aarde, op ongeveer 400 kilometer hoogte (beeld: NASA). KOSMISCHE VRIEZER De temperatuur in het vacuüm van de kosmos bedraagt 2,7 Kelvin (-270,45 C). De koudste natuurlijke locatie in het universum voor zover wij dat kennen, is te vinden in de Boemerangnevel. Deze gaswolk bevindt zich op 5.000 lichtjaar van de aarde (voor de liefhebber: 47.303.652.362.905.000 kilometer) en wordt geproduceerd door een ster die in zijn laatste levensfase gassen uitstoot. Uit waarnemingen bleek vijf jaar geleden dat de Boemerangnevel een temperatuur heeft van 1 K (-272,15 C). Deze recordtemperatuur wordt veroorzaakt doordat de ster het gas uitstoot met een snelheid van bijna 600.000 kilometer per uur. Dit zorgt voor ultrasnelle expansie en dito afkoeling - van het gas. De Boemerangnevel, waargenomen door de Hubble-telescoop (beeld: NASA, ESA en The Hubble Heritage Team STScI/AURA). September 2018 25
Het Cold Atom Lab wordt in de ruimtecontainer Cygnus geladen, voor transport naar het ISS (beeld: NASA). Het Cold Atom Lab in opbouw (Beeld: NASA/JPL). WAT IS BOSE-EINSTEINCONDENSAAT? Naamgevers van Bose-Einsteincondensaat zijn de Indische wetenschapper Satyendra Nath Bose, die als eerste het kwanteuze karakter van licht beschreef, en Albert Einstein. Einstein gebruikte de benadering van Bose om in 1925 een condensatiefenomeen te beschrijven dat later bekend zou worden als Bose-Einsteincondensaat (BEC). In zijn beschrijving voorspelde Einstein dat atomen in een gas dat extreem wordt afgekoeld sterk afwijkend gedrag vertonen. Dit is een gevolg van het feit dat temperatuur volgens de theoretische natuurkunde een maat is voor de gemiddelde hoeveelheid bewegingsenergie van atomen. Voor veel koudetechneuten komt dat laatste wat merkwaardig over. Zij drukken de grootheid entropie (S) uit in Joule per graad Kelvin, en de theoretische natuurkunde volgend wordt dat nu Joule/Joule waarmee entropie eigenlijk een dimensieloos kental is. We volgen de theoretische lijn : als de temperatuur van een stof wordt verlaagd, wordt bewegingsenergie onttrokken en bewegen atomen steeds trager, tot het absolute nulpunt (0 Kelvin) wordt benaderd en alles vrijwel stilstaat. Een BEC is een gaswolkje met een temperatuur vlak boven 0 K, en hierin hebben alle atomen hetzelfde, laagst mogelijke, energieniveau. Dat leidt tot een heel bijzonder fenomeen: de atomen gedragen zich als golfpakketjes die elkaar overlappen, waardoor ze niet meer zijn te onderscheiden. In de woorden van Einstein vormen ze samen een superatoom. Een kwantumeffect dat daarbij optreedt, is dat viscositeit verdwijnt en materie superfluïde wordt. Als een atoom van een andere stof door het BEC beweegt (bijvoorbeeld een metaalatoom dat door een wolkje heliumatomen wordt geschoten) ondervindt het geen enkele weerstand meer en wordt het dus niet afgeremd. Hoewel het niet hetzelfde is, doet dit fenomeen wel denken aan supergeleiding. In 1911 ontdekte de Nederlandse wetenschapper Kamerlingh Onnes (oprichter van de voorloper van de KNVvK) dat de elektrische weerstand van supergeleidende materialen beneden een (zeer lage) temperatuur ineens verdwijnt. Dat betekent dat een elektrische stroom in een gesloten kring voortdurend door blijft lopen, met als bijkomend effect dat een sterk magnetisch veld wordt opgewekt. Dit principe wordt bijvoorbeeld toegepast in MRI-scanners in ziekenhuizen. In tegenstelling tot supergeleiding heeft naar Bose-Einsteincondensaat nog geen praktische toepassingen opgeleverd. Sommige ers stellen echter dat het aan de wieg ligt van toekomstige energiesystemen. Omdat weerstand volledig ontbreekt kan transportverlies worden vermeden, wat ultra-efficiënte netwerken mogelijk maakt. Vooralsnog is dit nog (verre) toekomstmuziek. 26
KOUD, KOUDER, KOUDST Al jarenlang is er sprake van een wedloop tussen wetenschappers die elkaar aftroeven in de race richting het absolute nulpunt (0 K). Een van de instituten die deelnemen aan die race richting 0 is het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST). Anderhalf jaar geleden wisten ers van het NIST een aluminium membraan van 20 micrometer bij 100 nanometer af te koelen tot 0,00036 Kelvin (-273,1466 C). Over het algemeen wordt dit nog altijd beschouwd als de laagst bereikte temperatuur ooit. Volgens ers van de Duitse Ludwig-Maximilians-Universität is het in kwantumfysisch opzicht echter mogelijk om een negatieve absolute temperatuur te bereiken. Vijf jaar geleden manipuleerden ze een Bose-Einsteincondensaat zodanig dat de Boltzmann-distributie (de verdeling van energieniveaus van atomen) werd omgekeerd. De fundamentele deeltjes in de stof kenden daardoor geen minimumenergieniveau meer en bereikten een temperatuur van -1 nk (1 miljardste Kelvin onder het absolute nulpunt). Wie hier meer over wil weten (en het niet erg vindt om teksten te lezen waarbij het gaat duizelen) kan terecht op de website van de ers: http://goo.gl/1uxyiw. Technici testen het Cold Atom Lab, voor vertrek (beeld: NASA/JPL-Caltech). Conceptschets van de manier waarop atomen in Bose-Einsteincondensaat worden vastgezet door magneetvelden en een raster van laserstralen (Beeld: NASA/JPL-Caltech). LASERKOELING Voor het afkoelen van atomen tot dichtbij het absolute nulpunt wordt in de basis dezelfde techniek gebruikt als in atoomklokken. Deze hyperprecieze klokken (de nieuwste modellen hebben een maximale afwijking van 1 seconde in 15 miljard jaar) meten de tijd op basis van regelmatig trillende atomen, meestal van de isotoop Cesium-133. Om te voorkomen dat atomen te veel met elkaar botsen en daardoor de precisie van de klok beïnvloeden, worden ze met behulp van laserlicht afgekoeld, of beter gezegd: geremd. Een laser bestookt de atomen met hierbij met fotonen, in tegengestelde richting van de natuurlijke beweging van de atomen die daardoor dus worden afgeremd. Hun beweging wordt nog verder gedempt door ze in te sluiten in magneetvelden en een raster van laserstralen. Uiteindelijk benaderen de atomen hierdoor een temperatuur tot net boven het absolute nulpunt. September 2018 27
Dankwoord Bij de totstandkoming van dit artikel is dankbaar gebruikgemaakt van commentaar en advies van ir. Bob van den Hoogen en dr. ir. Carlos Infante Ferreira Het CAL-team bij een testopstelling van het laboratorium. Links staat project manager Anita Senguptam (Beeld: NASA/JPL-Caltech). 28