Astronauten aan boord van het internationale ruimtestation IIS hebben onlangs het vernieuwde Cold Atom Lab ruimtelaboratorium van NASA ingeschakeld. In het aangepaste mini-lab kan het absolute nulpunt (0 K) nog dichter worden benaderd en bereiken onderzoekers de grens van de kwantumfysische wereld.
Met het Cold Atom Lab – een box met het formaat van een kleine koelkast – beschikt NASA over een ruimtelaboratorium voor fundamenteel onderzoek onder unieke (vrijwel zwaartekrachtvrije) omstandigheden. Het Lab kan atomen afkoelen tot net boven 0 K, oftewel het absolute nulpunt. Bij die extreme temperatuur vormen de atomen een Bose-Einsteincondensaat (BEC); dit wordt door wetenschappers gezien als de vijfde aggregatietoestand van materie (naast vast, vloeibaar, gas en plasma). In die uitzonderlijke toestand gedragen atomen zich alsof ze samen één golf zijn en zijn ze extreem gevoelig voor minuscule veranderingen in hun omgeving. Die eigenschap wordt gebruik bij de ontwikkeling van hypernauwkeurige instrumenten, zoals kwantumsensoren en atoomklokken.
Vorming van Bose-Einsteincondensaat
Het ruimtelaboratorium van NASA wordt door vijf internationale teams gebruikt voor onderzoek naar fundamentele fysica. Voor elk van die experimenten wordt een strip rubidium- of kaliummetaal verhit tot 400 °C (673 K), zodat gas wordt gevormd in de vacuümkamer van de kast. Vervolgens wordt met laserstralen vrijwel alle energie uit de atomen in het gas gehaald, zodat ze sterk afkoelen. Tot slot wordt met een magnetische ‘val’ het gas op zijn plaats gehouden, waarna vrijwel alle resterende energie aan de atoomwolk wordt onttrokken, de atomaire deeltjes vrijwel tot stilstand komen en ze een BEC vormen.
Ingekrompen onderzoekslab
Ultrakoude gassen kunnen ook op Aarde worden onderzocht. In het ruimtelaboratorium van NASA kunnen kwantumgassen echter verder worden gekoeld en langduriger bij microzwaartekracht worden bestudeerd, aldus de onderzoekers. Voor dat doel heeft NASA een traditioneel atoomfysicalab – dat meestal de omvang van een flinke onderzoekskamer vol lasers en spiegels heeft – weten in te krimpen tot het formaat van een minikoelkast die in een onderzoeksrack van ruimtestation ISS past. Met het doorontwikkelde lab kunnen nog lagere temperaturen dan voorheen worden bereikt – zodat de kwantumwereld nog beter kan worden onderzocht.
Leestip: Doorbraak in elastocalorische koeling: machine bereikt -12 °C
