Een eeuw geleden voorspelde Albert Einstein, gebruikmakend van het werk van Satyendra Nath Bose, dat er iets bijzonders gebeurt als je een gas afkoelt tot net boven het absolute nulpunt. Quantummechanische effecten krijgen de overhand en de meeste atomen komen in hun laagste energietoestand terecht. Ze zijn dan niet van elkaar te onderscheiden en in de gezamenlijke grondtoestand gaan ze zich als een geheel gedragen. De atomen vormen zo een collectieve, macroscopische quantumtoestand die een bose-einsteincondensaat wordt genoemd.

Met bose-einsteincondensaten kun je quantumeffecten bestuderen. Daarnaast zijn er toepassingen in atoomklokken, atoomlasers en mogelijk quantumcomputers. Maar het is vooral het fundamentele onderzoek waarvoor Peter van der Straten in 1990, na postdoconderzoek in de VS over atomen afkoelen met lasers, in Utrecht een onderzoeksgroep startte, dankzij een KNAW-fellowship. “Dat we een heel nieuw onderzoeksgebied zouden kunnen betreden, was voor mij – en voor veel anderen – de belangrijkste drijfveer”, zegt hij.

In de jaren tachtig en negentig ontstond er een wedloop om als eerste een bose-einsteincondensaat te realiseren. In 1995 kregen eerst Eric Cornell en Carl Wieman van de Universiteit van Colorado Boulder dat voor elkaar met rubidiumatomen en iets later Wolfgang Ketterle van MIT met natriumatomen. “Dat was een opwindende tijd”, vertelt Van der Straten in zijn kantoor bij het Ornsteinlab waarin hij decennialang wolkjes natriumatomen afkoelde tot minder dan 1 microkelvin.

Natriumatomen worden eerst met lasers gekoeld tot paar honderd microkelvin, waarbij ze oranje oplichten. Foto: Nejc Blaznik

De interesse in deze condensaten was groot, hoewel superfluïde helium – ook een condensaat – al eerder was ontdekt. “Dat komt doordat een theoretische beschrijving van heliumatomen bij superfluïditeit heel lastig is”, zegt Van der Straten. “Die bijschrijving is bij een bose-einsteincondensaat minder complex. Dat maakt het mogelijk om een goede vergelijking te maken tussen het experiment en de theorie.”

Hoe maak je een bose-einsteincondensaat?

“Einstein voorspelde al een eeuw geleden dat je daarvoor extreem lage temperaturen nodig hebt, in de orde van microkelvins. Het idee was dat dat met laserkoeling wel zou lukken. Maar dat bleek niet voldoende. Je haalt daarmee temperaturen van hooguit een paar honderd microkelvin. Er is dus nog een extra koelstap nodig om tot ongeveer één microkelvin te komen. Dat doen we met verdampingskoeling. Je vangt daarvoor de voorgekoelde atomen in een magnetische val en verdampt vervolgens de heetste atomen; die laat je dus ontsnappen uit je systeem. Doordat deze atomen een wisselwerking hebben met de atomen die achterblijven, worden die laatste koeler. Hierbij gooi je zo veel atomen weg dat je uiteindelijk ongeveer 1 procent overhoudt met de juiste temperatuur.”

Dit kreeg u ook voor elkaar in Utrecht?

“Dat lukte dankzij de opstelling die we met de instrumentatieafdeling hebben gebouwd. Daarbij was het belangrijk om extreem lage drukken te realiseren. Ik zeg altijd dat we de laagste druk in Nederland hebben. Daarmee lukte het mijn groep in de zomer van 2004 voor het eerst om een bose-einsteincondensaat te maken met natriumatomen. Helaas was dat precies toen ik op vakantie was in Portugal. Ik hoorde het via de mail.” 

Uit hoeveel atomen bestaat zo’n bose-einsteincondensaat als je maar 1 procent van de beginhoeveelheid overhoudt?

“Ons record was 300 miljoen atomen. Dat was voor ons een belangrijke prestatie. Dat lijkt namelijk een beperkt aantal, zeker als het om atomen gaat. Maar de meeste condensaten bestaan uit enkele tienduizenden tot hooguit een miljoen atomen. Dan is 300 miljoen waanzinnig veel. Het voordeel van zo'n groot aantal is dat de wisselwerking tussen die atomen dan bepaalt hoe het systeem zich gedraagt. Als je er minder hebt, dan is de vrije weglengte namelijk groter dan de magneetval. Een atoom kan dan vele keren door de val bewegen zonder interacties met andere atomen. Het gedrag wordt dan dus niet bepaald door de interacties, wat betekent dat de beschrijving triviaal is. Bij die grote aantallen zagen we bijvoorbeeld dat de atomen hydrodynamisch gedrag vertonen, terwijl ze een gas vormen. Dat komt doordat hun wisselwerking zelfs bij extreem lage temperaturen zo sterk is dat ze zich gaan gedragen als een soort vloeistof.”

Welke atomen heeft u in de opstelling gehad?

“We hebben ons altijd gefocust op natriumatomen. Het voordeel daarvan is dat je er gemakkelijker grote bose-einsteincondensaten van kunt maken dan bijvoorbeeld van rubidium. Dat heeft te maken met een proces dat we driedeeltjesbotsingen noemen. Daarbij komen drie deeltjes dicht bij elkaar en wisselwerken ze op zo'n manier dat er veel interne energie vrijkomt waardoor het systeem opwarmt. Bij wolkjes natriumatomen heb je relatief weinig driedeeltjesbotsingen, wat ons leven een stuk makkelijker maakt.

De meeste groepen gebruiken rubidium- of cesiumatomen. Die hebben als voordeel dat de benodigde lasersystemen eenvoudiger en goedkoper zijn dan de specialistische apparatuur die je nodig hebt voor natriumatomen.”

Wat zijn de hoogtepunten van uw onderzoek van de afgelopen 22 jaar?

“Het eerste hoogtepunt was dat het überhaupt lukte om een bose-einsteincondensaat te maken. Verder hebben we geluid in zo’n condensaat bestudeerd. Dat was een bijzonder experiment, waarbij we in een wolkje met een doorsnede van tientallen microns en een lengte van een paar millimeter tot een centimeter geluid hebben geïnduceerd. Dat leverde twee soorten geluid op. Het eerste geluid is een drukgolf, zoals ik nu gebruik om te spreken. Het tweede geluid is een temperatuurgolf. Daarbij gaat het om het verschil tussen gecondenseerde atomen, met een temperatuur van vrijwel 0 kelvin, en thermische atomen, met een iets hogere temperatuur. Als je lokaal de verhouding tussen die twee verandert, dan verander je lokaal de temperatuur. Zo kun je een temperatuurgolf opwekken waarmee je geluid transporteert met een snelheid in de orde van millimeters per seconde – veel trager dan de gebruikelijke geluidssnelheid. In de jaren veertig is er al een theorie ontwikkeld die dit voorspelde. Wij hebben voor het eerst kunnen aantonen dat die voorspellingen kloppen.

Tot slot is er het resultaat van mijn laatste promovendus. Dat heeft te maken met de drie spintoestanden van een natriumatoom: omhoog, omlaag en spin nul. Meestal heb je maar één spintoestand, maar we kunnen ook verschillende spintoestanden maken van het condensaat. Je krijgt dan een wolk met links de ene spintoestand, rechts de andere en in het midden de derde. Ik wilde heel graag zien of en hoe die spin-domeinwanden zich verplaatsen door interacties, maar dat was lastig om waar te nemen. Mijn laatste promovendus is daarin geslaagd. Daar ben ik heel blij mee."

Waarom is dat lastig waar te nemen?

“Normaal gesproken bekijk je zo'n wolkje met licht dat de atomen verstrooien. Maar daardoor warmen ze op en dan is je bose-einsteincondensaat weg. Je moet dan telkens een nieuw condensaat maken. Ik ben er heel trots op dat wij een zogeheten holografische methode hebben ontwikkeld waarmee we het wolkje niet-destructief konden bestuderen. Daarbij stem je het licht zo af dat er bijna geen verstrooiing meer is, maar enkel een interactie met de atomen die een faseverschuiving in het licht veroorzaakt. Die faseverschuiving kunnen we zichtbaar maken. Daardoor blijft het wolkje in stand en kunnen we dynamisch gedrag bestuderen, zoals de bewegende domeinwanden.”

Wat gebeurt er met uw opstelling nu u met emeritaat bent?

“Hoewel ik verbonden blijf aan de universiteit, doe ik geen experimenten meer. Daarvoor heb je een lab, technici, promovendi en geld nodig. Die middelen heb ik nu niet meer. Omdat er ook geen opvolger is en de opstelling bijna dertig jaar oud is, hebben we op vrijdagmiddag 3 juli, heel dramatisch, de stekker uit het apparaat gehaald.”

“Niels Bohr is een van mijn grote natuurkundehelden”, vertelt Peter van der Straten. Bohrs bureau staat nog steeds bij het Niels Bohr-instituut in Kopenhagen. Foto: Olnur Akseki Jorgensen/Niels Bohr-instituut Kopenhagen

Vindt u dat niet jammer?

“Ik vind het eigenlijk heel fijn. Zo'n opstelling heeft namelijk altijd kuren. Als iemand ermee door zou gaan, zou ik me verantwoordelijk blijven voelen. Daar heb ik nu geen last van. Dat geeft rust. En het onderzoek aan bose-einsteincondensaten blijft doorgaan, in Eindhoven, Amsterdam en elders in de wereld.

Wat ik wel ga missen, is het begeleiden van promovendi. Het is interessant om met jonge mensen samen te werken en te zien wat ze kunnen bereiken. En ik vind promoveren ontzettend waardevol, mits je goede en intensieve begeleiding krijgt. Je leert belangrijke vaardigheden en dat je moeilijke dingen aankunt, zoals een promotie.

Bij het symposium eind mei, ter gelegenheid van mijn emeritaat, waren een aantal oud-promovendi. Het is mooi dat ze benadrukken hoe belangrijk die periode is geweest in hun carrière. Ze zijn op allerlei plekken in de samenleving terechtgekomen, zoals onderzoeksinstituten, ingenieursbureaus, ASML, ProRail en andere bedrijven. Iedereen is heel succesvol geworden. Dat maakt me trots.”