Je leest:

Sociaal onder dwang

Sociaal onder dwang

Auteur: | 30 januari 2004

Natuurkundige Deborah Jin van de universiteit van Colorado heeft het voor elkaar. Onder dwang wist zij normaal asociale natriumatomen tot groepsgedrag te dwingen. Ze vormde zo het eerste Fermicondensaat ter wereld. Haar onderzoek kan misschien helpen bij het ontwerpen van bij kamertemperatuur supergeleidende materialen.

Jin heeft met haar experiment één van de heilige gralen van de experimentele natuurkunde binnengehaald. Het was al langer bekend dat bosonen zich bij extreem lage temperaturen van een paar miljoenste graden boven het absolute nulpunt als één groot deeltje gaan gedragen: zulk collectief heet een Bose-Einstein Condensaat (BEC) en werd in 1995 voor het eerst aangetoond door Eric Cornell en Carl Wieman. De deeltjes in een BEC zijn niet meer van elkaar te onderscheiden en kunnen wrijvingsloos bewegen.

Prima ballerina’s dulden geen na-apers

Fermionen gedragen zich fundamenteel anders dan bosonen en weigeren normaal gesproken op te gaan in een collectieve toestand als een BEC. Het verschil tussen bosonen en fermionen is hun spin, een getal dat beschrijft hoe de deeltjes om hun as wentelen. Bosonen hebben een heeltallige spin (0, 1, 2,…) en fermionen een halftallige (1/2, 1 1/2, …). Neutronen, protonen en elektronen en atomen met een oneven aantal kerndeeltjes (protonen en neutronen) zijn fermionen. De andere helft van de atomen en ook fotonen zijn bosonen.

Het verschil tussen de twee types deeltjes lijkt klein, maar heeft enorme gevolgen. Bosonen van dezelfde soort (twee fotonen bijvoorbeeld) zien er geen been in om er precies als een collega uit te zien. Ze kunnen zonder problemen dezelfde energie en spin-richting aannemen als al hun mede-fotonen.

Fermionen zijn een stuk kieskeuriger, het lijkt wel alsof ze zich koste wat kost willen onderscheiden van alle andere fermionen. Twee elektronen in elkaars buurt moeten verschillende energieën hebben, of in tegengestelde richting rondtollen. Op die ander lijken? No way! Dat betekent dat fermionen die je op dezelfde plek verzamelt, steeds hogere energieën moeten krijgen. De lagere energieniveau’s zijn al bezet door voorgangers, en er is niet oneindig veel variatie mogelijk met de tolrichting. De enige manier om zich te onderscheiden is dan steeds harder bewegen. In een BEC is dat funest: daarin moeten alle deeltjes juist de allerlaagste energietoestand hebben.

Bosonen en fermionen gaan verschillend om met energieniveau’s. Bosonen vinden het niet erg om hetzelfde niveau te delen, maar fermionen kunnen dat niet. Als je ze toch op één plek verzamelt, moet elke nieuwkomer een andere, dus hogere energie krijgen dan zijn voorgangers. bron: American Physical Society

Er is een truc om fermionen tot socialer gedrag te verleiden, maar tot nu toe was het niemand gelukt die succesvol toe te passen op andere fermionen dan elektronen. Twee fermionen kunnen samen een namelijk een zogenaamd Cooper-paar vormen. De deeltjes dragen dezelfde energie en kunnen dicht bij elkaar komen, omdat ze elk in een andere richting rondtollen. Het paar gedraagt zich als een boson en kan Bose-Einstein Condensatie ondergaan. Je zou kunnen zeggen dat de twee partners zó worden afgeleid door hun spiegelbeeld, dat ze de omgeving vergeten.

Twee fermionen vormen een Cooper-paar. Dat samengestelde deeltje gedraagt zich als een boson en kan een BEC vormen. Als elektronen Cooper-paren vormen, wordt het materiaal waarin ze zitten supergeleidend: de elektrische weerstand valt dan weg. bron: Relativistic Heavy Ion Collider, Brookhaven National Laboratory

Deborah Jin werkte in haar experiment met natriumatomen. De eerste stap op weg naar een BEC is altijd afkoelen. BEC’s bestaan bij de gratie van de kwantummechanica: alle deeltjes moeten in de laagst mogelijke energietoestand zitten, anders verstoren ze het collectief. Door een bad van lasers, die de bewegende atomen telkens afremmen, werd een groot deel van de energie verwijdert. Daarna was het een kwestie van de snelste atomen laten ontsnappen. De achterblijvende massa koelt zo steeds verder af.

Bij vijftig miljardste graad boven het absolute nulpunt aangekomen hadden de natriumatomen eindelijk de juiste energie. Bosonen zouden nu spontaan gaan BECen, maar fermionen hebben hulp nodig. Jin gaf ze het laatste zetje met een zwak magneetveld. Dat duwde atomen met tegengestelde tolrichting zachtjes naar elkaar toe. Toen zich eenmaal Cooper-paren vormden, ontstond eindelijk het fermioncondensaat. De atomen verzamelden zich op een centrale plek en leefden kortstondig samen. Het sprookje duurde maar even: na een fractie van een seconde ruzieden de fermionen zich weer uit elkaar.

Fermicondensaat in vorming. Hoe hoger de piek, hoe meer atomen zich op de centrale plek verzamelen. bron: Markus Greiner, universiteit van Colorado, Boulder

Super-onderzoek

Door de weerbarstige fermionen in het gelid te krijgen heeft Deborah Jin de deur geopend naar beter begrip van een paar ‘supers’ in de moderne natuurkunde: supergeleiding en supervloeibaarheid. Die verschijnselen zouden volgens één theorie verschillende uitingen van hetzelfde verschijnsel zijn. Door het achterliggende gedrag beter in kaart te brengen wordt het misschien mogelijk een supergeleider te ontwerpen die zijn werk kan doen bij kamertemperatuur. Moderne supergeleiders werken pas bij temperaturen lager dan 135 graden onder nul. Hoge temperatuur-supergeleiders zouden van onschatbaar nut zijn in energievoorziening, maar ook in fundamenteel deeltjesonderzoek, waar steeds sterkere magneten nodig zijn om deeltjes in een versneller op te zwepen. Met recht de volgende heilige graal.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 januari 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.