Laser rummet atomlaser

Fysikere finner opp evigvarende atomlaser

For første gang har forskere klarer å kontrollere atomer presist nok til å lage en atomlaser, og de sikter seg nå inn mot mørk materie og mørk energi.

For første gang har forskere klarer å kontrollere atomer presist nok til å lage en atomlaser, og de sikter seg nå inn mot mørk materie og mørk energi.

ESA/IAC/Daniel López

Lasere er noe spesielt innen fysikken. Lyset i en laser har bare én bølgelengde. Alle partikler oppfører seg som én, slik at alle bølger beveger seg i nøyaktig den samme retningen. Det er det som gir laseren sin karakteristiske stråle.

Nå har nederlandske fysikere klart å skape en stråle som består av materiebølger som oppfører seg på samme måte som lys i en vanlig laser. En såkalt atom-laser.

Fysikere har i mange år forsøkt å få atomer til å oppføre seg som én i en bølge. Det lyktes i prinsippet allerede for en del år siden – men den gangen bare i veldig kort tid av gangen.

De nederlandske fysikernes store gjennombrudd er at de har funnet en måte å få det til uten tidsbegrensning.

Atomene må kjøles ned

På samme måte som lys beveger seg i bølger, forteller kvantemekanikken oss at atomer også kan oppfattes som bølger.

Så mens en vanlig laser sender sammenhengende bølger av lyspartikler, sender en atomlaser ut sammenhengende bølger av materie.

Det grunnleggende i atomlaseren er det såkalte Bose-Einstein-kondensatet, også kalt BEC, som er en spesiell fase en gruppe atomer kan befinne seg i. En fase der atomene verken er gass, flytende eller i fast form.

Det spesielle ved BEC er at når atomene fryses ned til rundt det absolutte nullpunkt, -273,15 grader celsius, oppstår materiebølger.

Da blir det mulig å få atomene til å oppføre seg som én enhet. Ved høyere temperaturer beveger atomene seg i alle mulige ulike retninger.

Atomlaser stofbølger

En illustrasjon av hvordan atomene beveger seg som én enhet av bølger. Her kommer det hele tiden nye atomer (de blå) som inngår i Bose-Einstein-kondensatet i midten. Egentlig er ikke atomene synlige for det blotte øye.

© University of Amsterdam/Scixel

En ny forsyning atomer

For 25 år siden klarte forskere å skape den første atomlaseren som kunne sende ut materiebølger.

Den såkalte BEC virket imidlertid bare i en kort periode før den måtte skiftes ut. Da kunne en ny puls bølger sendes ut. Det måtte med andre ord legges til nye nedkjølte atomer like raskt som atomstrålene forlot laseren.

Den ledende forskeren på prosjektet, Florian Schreck, forklarer at de løste problemet med ved å skape et system slik at atomene hele tiden sørget for å holde hverandre nedkjølte.

«Vi får atomene til å bevege seg mens de utvikler seg gjennom avkjølingstrinn som følger hverandre fortløpende. Til slutt ankommer ultrakalde atomer hjertet av eksperimentet, der de kan brukes til å danne sammenhengende stoffbølger i en BEC. Men mens disse atomene blir brukt, er nye atomer allerede på vei til å gjenoppbygge BEC-en. På denne måten kan vi holde i gang prosessen praktisk talt for evig.»

Ved å lage en maskin med to separate vakuumkamre skapte forskere en konstant stråle av avkjølte atomer gjennom kamrene slik at BEC-en alltid gjenoppfylles uten at atomene henfaller. Partiklene fryses ned av en nedkjølingslaser.

Maskinen kan derfor fungere i det uendelige samtidig med at det sendes ut stabile stråler av materiebølger.

Den nye atomlaseren kan i prinsippet utføre de samme oppgavene som en vanlig laser, men forskerne har større drømmer.

Med den nye laseren kommer vi nærmere å finne mørk materie og mørk energi i rommet samt finne gravitasjonsbølger og for eksempel forbedre romfartsnavigasjon.