Een ijskoude wolk met een paar duizend moleculen is gezamenlijk in dezelfde quantumtoestand gebracht. De wolk gedroeg zich alsof het één molecuul was.
Quantumtechnologie heeft veelbelovende toepassingen, zoals een veilig quantuminternet of extreem nauwkeurige quantumsensoren. Ook interessant is quantumchemie, waarbij bijvoorbeeld een groep moleculen een chemische reactie kan aangaan alsof het een groot ‘supermolecuul’ is. Voor al deze toepassingen is het belangrijk om de quantumtoestand van piepkleine deeltjes te kunnen controleren.
Moleculen koelen
Het gedrag van een groot aantal deeltjes kan op quantumniveau gecontroleerd worden door er een zogeheten bose-einsteincondensaat mee te vormen. Dit wordt gezien als de vijfde toestand waarin materie kan verkeren, naast vast, vloeibaar, gas en plasma. Natuurkundigen kunnen sinds de jaren negentig atomen in deze toestand brengen door ze af te koelen tot vlak boven het absolute nulpunt (−273,15 °C). Een bose-einsteincondensaat van atomen gedraagt zich in deze toestand alsof het één groot atoom is. Alle atomen in een dergelijk wolk bevinden zich hierbij in dezelfde quantumtoestand.
Onderzoekers van de universiteit van Chicago hebben nu voor het eerst een bose-einsteincondensaat gevormd van moleculen. Hiervoor koelden ze duizenden cesiummoleculen af tot vlak boven het absolute nulpunt met een speciale laserkoelingstechniek.
Moleculen zijn lastiger te koelen dan atomen, omdat ze groter zijn en op meer verschillende manieren trillen en draaien. De onderzoekers probeerden daarom niet om moleculen af te koelen. Ze begonnen met cesiumatomen. Deze atomen laserkoelden ze totdat ze een bose-einsteinconcendaat vormden. Vervolgens gebruikten ze een magnetisch veld om de atomen een zetje te geven, waardoor ze samensmolten tot moleculen.
Platte wolk
Deze ijskoude cesiummoleculen hielden de onderzoekers met een laser vast in een tweedimensionaal vlak. ‘Hiervoor gebruiken we een sterk vervormde bundel laserlicht’, mailt Cheng Chin, hoogleraar aan de universiteit van Chicago. ‘Deze lichtbundel is plat en breed, zoals een vel papier.’ De moleculen konden daardoor naar links en rechts en naar voor en achter bewegen, maar niet omhoog of omlaag.
Dit levert een platte ‘wolk’ van identieke cesiummoleculen op, die keurig naast elkaar liggen en gezamenlijk bewegen. Dit moleculaire bose-einsteincondensaat gedraagt zich door die ruimtelijke beperking als een groot molecuul, met één quantumtoestand.
Een mogelijke toepassing van een moleculair bose-einsteincondensaat is dat het gebruikt kan worden voor ‘superchemie’, zegt Chin. Dit is een soort ‘collectieve chemie’ waarbij alle moleculen, tegelijkertijd een chemische reactie aan gaan. ‘Dit is fundamenteel anders dan onze dagelijkse ervaring, waarbij chemische reacties plaatsvinden op willekeurige tijdstippen en locaties wanneer moleculen elkaar toevallig ontmoeten.’
Zulke collectieve ‘superreacties’ zijn nog nooit waargenomen. De volgende stap voor de onderzoekers is daarom om een voldoende groot moleculair bose-einsteincondensaat te maken om dit soort reacties te realiseren.
