Stichting FOM
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Gabby Zegers
17 september 2009, 2009/32
Koude wolk natriumatomen laat warmtetransport eindelijk meten
FOM-promovendus Robert Meppelink heeft voor het eerst de thermische
geleidingseigenschappen gemeten van een koude wolk natriumatomen, een
zogenaamd Bose-Einstein condensaat. Dit was lang onmogelijk doordat
hiervoor een lastige combinatie van eigenschappen nodig is: veel
deeltjes, maar een beperkte dichtheid van de atoomwolk. Meppelink en
zijn collega's zijn daar nu voor het eerst in geslaagd door een
sigaarvormige wolk te gebruiken met meer atomen dan ooit tevoren. Het
warmtetransport in zo`n wolk blijkt veel sterker te zijn dan verwacht
op basis van een theoretische beschrijving van soortgelijke systemen.
Dit resultaat leidt tot nieuwe inzichten in de te verwachten
efficiëntie van een continue atoomlaser. Daarnaast lijken de
eigenschappen van het gebruikte systeem sterk op die van
supervloeibaar helium en dit werk vormt dus ook een opmaat voor verder
onderzoek naar processen van supervloeibaarheid. De resultaten zijn op
28 augustus 2009 gepubliceerd in het gerenommeerde Amerikaanse
tijdschrift Physical Review Letters. Meppelink promoveert op 20
oktober aan de Universiteit Utrecht.
vergroten Figuur 1. Braggheat
Figuur a: Afbeelding van een atoomwolk die zojuist verwarmd is.
Figuur b: De temperatuur als functie van de positie van de wolk langs
de lange as van de wolk.
Het grootste Bose-Einstein condensaat ter wereld
Een Bose-Einstein condensaat is een laag-energetische gasvormige
aggregatietoestand, die slechts voorkomt bij temperaturen nabij het
absolute nulpunt. In deze toestand zijn de deeltjes niet meer van
elkaar te onderscheiden. De Utrechtse onderzoekers hebben met 300
miljoen gecondenseerde atomen in elk condensaat de beschikking over
het grootste Bose-Einstein condensaat ter wereld, uitgaande van
optische technieken. Vlak boven het Bose-Einstein condensatiepunt
hebben Meppelink en collega's de thermische geleidingseigenschappen
onderzocht van een koude wolk natriumatomen.
De truc: een sigaarvormige wolk met veel atomen
Bij experimenten aan Bose-Einstein condensaten in gassen gebruiken
onderzoekers wereldwijd atomen die zitten opgesloten in een
magneetval. Door de lage dichtheid komen de atomen elkaar nagenoeg
niet tegen. Daardoor is het niet mogelijk de warmtegeleiding te meten,
want zonder botsingen tussen de atomen vindt er geen warmteoverdracht
plaats. Om dit toch te kunnen onderzoeken hebben Meppelink en zijn
collega's een truc gebruikt: één richting van de wolk is veel langer
gemaakt dan de andere richtingen. Hoe langer de wolk, des te langer
zijn de atomen onderweg en des te meer botsingen vinden er plaats. De
wolk krijgt de vorm van een sigaar, waardoor problemen met
deeltjesverlies door molecuulvorming en door botsingslawines worden
voorkomen. Door aan één kant van de wolk de atomen een heel klein
beetje op te warmen komen deze in beweging en botsen ze onderling. Zo
wordt de warmte overdragen op de andere atomen totdat het hele systeem
dezelfde temperatuur heeft. Op deze wijze waren de onderzoekers toch
in staat het warmtetransport te meten.
Atoomlasers en supervloeibaarheid
Met dit systeem hebben de onderzoekers voor het eerst het
warmtetransport in één richting kunnen meten. Het gedrag in de twee
botsingloze richtingen beïnvloedt de warmtegeleiding sterk: dat blijkt
namelijk vijf maal sterker dan verwacht uit berekeningen aan een wolk
waarvan het gedrag in alle drie de richtingen door botsingen wordt
gedomineerd. Dit is met name een belangrijk gegeven voor de
onderzoekers die proberen een atoomlaser te maken, die immers ook maar
in één richting uitgestrekt wordt. Een continue atoomlaser is in feite
een constante bron van Bose-Einstein condensaten en de onderzoekers
die hiermee bezig zijn willen graag gebruik maken van atoomwolken met
precies de eigenschappen van het systeem van Meppelink. Het excessieve
warmtetransport zal de koelefficiëntie beperken door warmteoverdracht
tussen het ongekoelde deel en het reeds gekoelde deel van de bundel.
Dat geeft direct de eerste praktische toepassing aan van dit
onderzoek.
Daarnaast maakt het hier verkregen botsingsregime in de atoomwolk dat
deze, zodra een Bose-Einstein condensaat gevormd wordt, sterk lijkt op
een systeem met supervloeibaar helium. Al sinds 1920 wordt onderzoek
gedaan naar supervloeibaarheid, maar dat kan veel beter in het nu
ontwikkelde systeem doordat de theoretische beschrijving van
Bose-Einstein gecondenseerde gaswolken eenvoudiger is dan van
condensaten in een vloeistof. Dit onderzoek is dan ook een opmaat voor
de metingen die de analoge processen van supervloeibaar helium laten
zien.
Meppelink voerde het onderzoek uit in de Utrechtse 'Atom Optics' groep
van prof.dr. Peter van der Straten binnen de FOM-projectruimte
'Low-dimensional Bose gases in optical lattices' en promoveert op 20
oktober 2009 aan de Universiteit Utrecht.
Referentie
Het volledige artikel staat online op:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.095301
25 August 2009, issue 9 of Volume 103, article 095301 by Robert
Meppelink, Rob van Rooij, Johnny Vogels en Peter van der Straten
Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Robert Meppelink, telefoon (030) 253 28 46.
Gabby Zegers, Stichting FOM, telefoon (030) 600 12 08.