Vrije Universiteit Amsterdam

Overzicht | veb@dienst.vu.nl

---

Greep op lastig grijpbare atomen

Eenvoudige atomen als waterstof en helium kunnen theoretisch heel goed worden beschreven, maar ze zijn lastig in een toestand met hogere energie te brengen. Natuurkundigen willen dat wel graag, omdat ze dan fundamentele theorieën over atomen in het laboratorium kunnen testen. Nauwkeurige lasers om dit te doen zijn er vrijwel niet. Onderzoekers van de Stichting

FOM en het Laser Centrum Vrije Universiteit in Amsterdam zijn er nu in geslaagd laserpulsen in het diep-ultraviolet te maken, waarmee ze wel heel precies eenvoudige atomen in een hogere energietoestand kunnen brengen. Daarmee openen ze de weg voor nieuw onderzoek. Hun techniek biedt mogelijk ook een manier om de nauwkeurigheid van atoomklokken te verbeteren. De onderzoekers publiceren hun bevindingen vrijdag 21 januari in het tijdschrift

Science
.

Hoe dichter een elektron bij de kern zit, hoe meer energie het kost om het daarvandaan te krijgen. In natuurkundig jargon: hoe meer energie het kost het atoom te exciteren. Elektronen kunnen niet willekeurig naar allerlei posities springen, maar slechts naar niveaus met zeer bepaalde energieën. Dat kan alleen maar wanneer stralingspakketjes (uit invallend licht) van

precies de vereiste energie beschikbaar zijn. Omdat de energie van het licht gekoppeld is aan de golflengte is voor het aanslaan van een atoom dus licht van specifieke golflengtes nodig. Die golflengte kan vergeleken worden met voorspellingen van fundamentele theorieën. Echter, voor het exciteren van eenvoudige atomen zoals waterstof en helium vanuit de diepste energietoestand is een golflengte ver in het ultraviolet nodig. Nu bestaan er voor die zeer korte golflengtes vrijwel geen nauwkeurige lasers.

Diep het ultraviolet in

Stefan Witte (FOM), Roel Zinkstok, Wim Ubachs, Wim Hogervorst en Kjeld Eikema, allen verbonden aan het Laser Centrum van de Vrije Universiteit in Amsterdam, hebben nu een excitatiemethode gedemonstreerd die uitgaat van zeer korte infrarode laserpulsen. Dergelijke pulsen kunnen door hun hoge intensiteit worden omgezet in licht met een nog veel kortere golflengte, zoals bijvoorbeeld ultraviolet licht. Zeer korte laserpulsen bevatten echter heel veel verschillende golflengten; men zou ze bijna als bijna wit licht kunnen bestempelen. Dat maakt het op het eerste gezicht onmogelijk om hiermee heel precies de golflengtes te bepalen waarbij atomen licht absorberen.

De Amsterdamse onderzoekers zijn er toch in geslaagd precies te bepalen bij welke golflengtes atomen licht absorberen. Ze doen dit door lichtpulsen te produceren met een precies gecontroleerde tijdsafstand en fase. Een reeks van zulke pulsen veroorzaakt interferentieverschijnselen in de excitatie van atomen. Dat is te zien als een soort golfbeweging in het aantal atomen dat in een hogere energietoestand is gegaan, afhankelijk

van bijvoorbeeld de tijdsafstand tussen de pulsen. Uit dit patroon kunnen de onderzoekers dan toch heel precies de golflengte bepalen van het licht dat een atoom heeft opgenomen.

In het experiment aan de Vrije Universiteit hebben de onderzoekers kryptonatomen aangeslagen met een reeks pulsen van licht met een golflengte van 212 nanometer (diep-ultraviolet). Ondanks de grote bandbreedte van de lichtpulsen (circa een halve nanometer), konden zij de absorptie door het atoom meten met een nauwkeurigheid die ongeveer gelijk

is aan een miljoenste van die bandbreedte. Die nauwkeurigheid is een factor tien beter dan tot nu toe mogelijk was met andere lasertechnieken.

Een mogelijke toepassing die uit het onderzoek voortvloeit is het verbeteren van atoomklokken. Atoomklokken maken gebruik van atomaire overgangen bij hoge frequenties. Met de gedemonstreerde techniek wordt het misschien mogelijk atoomklokken te laten werken op nog veel hogere frequenties (dus op basis van overgangen met een kortere golflengte) zodat deze klokken nog nauwkeuriger worden.