Deeltjesversnellers zijn bekend. Maar er zijn ook apparaten die atomen en moleculen juist enorm vertragen om ze vervolgens te laten botsen. Aan de Radboud Universiteit doen ze er onderzoek mee. Dan openbaren zich allerlei fantastische fenomenen die ook interessant zijn voor de ontwikkeling van bijvoorbeeld quantumcomputers.

Biljartballen. Die analogie wordt in ongeveer elk leerboek natuurkunde gemaakt wanneer het gaat over botsingen van kleine deeltjes. Ook moleculen die bij kamertemperatuur met elkaar botsen, gedragen zich als biljartballen: de botsing is te beschrijven met klassieke mechanica.

Maar verlaag de energie van de moleculen en dan gebeuren bij botsingen ineens vreemde dingen. De moleculen draaien, zodra ze in elkaars nabijheid komen, bijvoorbeeld een paar keer om elkaar heen en vliegen vervolgens verder. ‘Dit let heel nauw, dit resonantie-effect treedt op wanneer ze één precieze energie hebben’, zegt natuurkundige Bas van de Meerakker, hoogleraar aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. ‘Dit effect was jaren terug al voorspeld door theoretisch natuurkundigen, maar nog nooit waargenomen.’

Deeltjesvertrager

Het was Van de Meerakker die het verschijnsel voor het eerst liet zien in experimenten. Zijn onderzoeksgroep legt zich al jaren toe op het bestuderen van koude botsingen tussen moleculen. Daarvoor bouwde de groep jaren terug een bijzonder apparaat: een deeltjesvertrager. Die werkt precies als een deeltjesversneller, maar dan andersom. Waar bij een versneller het deeltje in kwestie, bijvoorbeeld een molecuul, steeds een zetje in de rug krijgt, wordt het bij de deeltjesvertrager juist steeds een beetje afgeremd door een elektrisch veld. Door dit honderden keren na elkaar te doen, krijgen de moleculen een steeds lagere energie, ofwel een steeds lagere temperatuur. ‘We noemen wel verschillende temperaturen, maar als je het formeel natuurkundig beschouwt, kun je enkel over energieën praten’, zegt Van de Meerakker.

Destijds, in 2012, lukte het de onderzoekers al om moleculen af te koelen tot ongeveer 100 kelvin, zo’n -173 graden Celsius. Door technische ingrepen hebben ze dat inmiddels kunnen verlagen tot 0,1 kelvin, maar net boven het absolute nulpunt waarop moleculen helemaal niet meer bewegen.

U-bocht 

Wanneer moleculen elkaar raken met nauwelijks energie, gebeuren er dus wetenschappelijk interessante dingen, zoals tijdelijk om elkaar heen tollen. Of het ene molecuul dat het andere net mist en eromheen slingert in een U-vormige baan. Ook ontdekten Van de Meerakker en collega’s nieuw, onbekend gedrag van moleculen op korte afstand.

Terwijl moleculen met hoge energie gewoon botsen als biljartballen, gebeurt er bij lagere energie dus iets bijzonders. De twee moleculen naderen elkaar niet dicht genoeg meer om de dipoolmomenten van de moleculen te activeren. ‘Onze collega’s van de afdeling theoretische natuurkunde in Nijmegen voorspelden al jaren terug dat moleculen bij een bepaalde energie een lagere botsingskans hebben dan bij hogere of nóg lagere energieën. Met wat we nu waarnemen, kunnen we heel netjes die voorspelling verklaren.’

Het onderzoekswerk is volgens hem vergelijkbaar met ontdekkingen door het beroemde onderzoekscentrum CERN in Zwitserland. Daar worden natuurkundige processen die al lang geleden door theoretici zijn voorspeld, voor het eerst onomstotelijk aangetoond. Het beroemdst zijn de ontdekkingen van nieuwe elementaire deeltjes, zoals het Higgsdeeltje. Ook daar leveren botsingen tussen deeltjes veel meer verrassingen op. ‘Groot verschil is dat het daar gaat om geladen deeltjes met hoge energie – snelheid – en bij ons juist om neutrale moleculen bij lage energieën.’

Bijna parallel 

Hoe kregen ze het voor elkaar om de botsingen nóg kouder te krijgen? Daarvoor was het besef nodig dat het bij een botsing niet alleen gaat om de energie van de deeltjes afzonderlijk, maar ook om de relatieve snelheid. Wanneer bijvoorbeeld een onoplettende fietser achterop een andere fietser knalt, dan maakt het voor de schade veel uit of het slachtoffer rijdt of stilstaat. Hetzelfde geldt voor de moleculen van de Nijmeegse groep. De onderzoekers ontwierpen een manier om twee moleculen met een zo laag mogelijke relatieve snelheid met elkaar te laten botsen. ‘We realiseerden ons dat we die twee deeltjes dus bijna parallel met elkaar moesten laten bewegen’, zegt Van de Meerakker. Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan, of zoals hij het verwoordt: ‘Ongelooflijk moeilijk in de praktijk.’

In samenwerking met technici van de instrumentmakerij werd een nieuw apparaat ontworpen dat beide deeltjes moest geleiden. Van de Meerakker heeft een model van plastic dat is 3D-geprint in zijn kamer staan. ‘Al deze onderdelen zijn in het echt van aluminium gemaakt, maar dit geeft wel een idee.’ In het metaal zijn vrije banen opengelaten voor de deeltjes. De banen vormen de beide benen van een ‘Y’, onder een zeer kleine hoek, zodat de moleculen uiteindelijk botsen onder een hoek van 2 graden. ‘Hier aan de ene kant komen ze nog afzonderlijk van elkaar binnen, aan het andere uiteinde zijn ze bij elkaar.’ Idealiter zou de tweede molecuulbundel ook eerst door een vertrager gaan, maar dat is zowel technisch als financieel lastig. Daarom wordt de snelheid van de moleculen uit de vertrager zoveel mogelijk gematcht met die uit het tweede ‘been’ van de Y.

Van de Meerakker prijst zich gelukkig dat ze op de Radboud Universiteit nog beschikken over een eigen instrumentmakerij, met vakmensen die extreem ingewikkelde dingen kunnen maken. ‘Op veel universiteiten zijn die afdelingen bijna wegbezuinigd.’

Voor de deeltjesvertrager zijn de vakmensen cruciaal. Deze bestaat geheel uit aluminium delen die met een vijfassige CNC-machine – een machine die volledig geprogrammeerd kan frezen, draaien, snijden en boren – tot op enkele micrometers nauwkeurig op maat zijn gemaakt. Tussen de aluminium delen blijft een dunne spleet vrij, waar de moleculen doorheen vliegen, gestuurd door een potentiaalverschil van twintig kilovolt.

Om plotselinge elektrische ontlading (bliksem) te voorkomen, zijn alle aluminium onderdelen extreem glad gepolijst; elke oneffenheid zou immers een bron van een elektrische ontlading kunnen zijn. ‘Dit is echt het neusje van de zalm. Om dit te kunnen maken is jarenlange ervaring nodig.’ Ook heeft de onderzoeksgroep spectroscopy of cold molecules zelf nog ingenieurs in vaste dienst, een mechanicus en een elektrotechnicus.

Quantumeierdoos 

De verschijnselen die Van de Meerakker en zijn mensen waarnemen, zoals deeltjes die tegen-intuïtieve dingen doen, is quantummechanica in de praktijk. Hun experimenten leveren niet alleen spannende natuurkundige ontdekkingen op, maar ook praktische toepassingen. De belangrijkste is misschien wel het bouwen van een toekomstige quantumcomputer. ‘Quantumcomputers zijn hot, maar het is nog lang geen uitgemaakte zaak op basis van welk fysisch principe de quantumcomputer gaat werken. Wetenschappers onderzoeken verschillende opties’, legt Van de Meerakker uit.

Een van de opties voor een quantumcomputer is het idee om losse moleculen extreem af te koelen en ze met lasers in putjes met een lagere potentiaal te deponeren, een soort ‘eierdoos van lasers’. Elk molecuul fungeert hier als een qubit, de basale rekeneenheid van een quantumcomputer. ‘Op die manier blijven de moleculen op hun plek en zijn ze ook te manipuleren: bijvoorbeeld de richting van het dipoolmoment of de spin ervan omklappen.’ Zo is in qubits informatie op te slaan.

Tijdens de procedure om moleculen af te koelen en in de ‘eierdoos’ te leggen, botsen de moleculen soms met elkaar en dat is een probleem. ‘Die botsingen worden nog niet goed begrepen, dat is onontgonnen gebied. Wij kunnen een bijdrage leveren om dit mysterie te doorgronden.’

Astrochemie

Er is nog een ander vakgebied waar de Nijmeegse inzichten over extreem koude moleculen kunnen worden gebruikt: de astrochemie. Dit is een relatief jong vakgebied. ‘Vroeger dacht men dat er in de ruimte alleen vacuüm was, met hooguit wat waterstof en helium, maar dat blijkt niet helemaal waar te zijn’, vertelt Van de Meerakker. ‘Dankzij het werk met ruimtetelescopen zoals de Hubble en de James Webb, is inmiddels bekend dat er atomen en moleculen rondzweven door dat grote niets en die gaan ook interacties met elkaar aan. Dat is wat astrochemici onderzoeken. Met als heilige graal het antwoord op de vraag of de basismoleculen voor het leven misschien voor het eerst in de ruimte zijn ontstaan.’ De experimenten in Nijmegen zullen mogelijk iets meer duidelijk maken over wat er gebeurt wanneer twee moleculen met lage energie in een zeer koude omgeving met elkaar botsen.

Met de beschreven proefopstelling doen de Nijmeegse natuurkundigen onderzoek naar eenvoudige moleculen die met elkaar botsen, zoals stikstofoxide (NO), ammoniak (NH3) of koolstofmonoxide (CO). Daarbij is met 0,1 kelvin de ondergrens van de temperatuur wel zo’n beetje bereikt, zegt Van de Meerakker, ‘en het eindpunt van de huidige trukendoos.’

De volgende stip aan de horizon is al gezet: in een Europees onderzoeksproject wil de groep de temperatuur nog een keer drie orden van grootte omlaag brengen. Oftewel, richting de 0,0001 kelvin. Daarvoor gaat de groep laserkoeling inzetten, een techniek waarbij laserbundels kleine deeltjes afremmen. Van de Meerakker: ‘Deze techniek wordt vaak gebruikt voor het koelen van atomen, maar het lijkt ook met moleculen te kunnen. We staan in contact met de pioniers op het gebied van laserkoeling.’

En dan? Op naar het absolute nulpunt? ‘Nee, nul bereik je niet. Ons werk houdt nooit op’