Laser rymden atomlaser

Fysiker uppfinner evig atomlaser

För första gången har forskare lyckats styra atomär materia tillräckligt länge för att kunna använda den i en atomlaser, och nu är siktet riktat mot mörk materia och mörk energi.

För första gången har forskare lyckats styra atomär materia tillräckligt länge för att kunna använda den i en atomlaser, och nu är siktet riktat mot mörk materia och mörk energi.

ESA/IAC/Daniel López

Laser är något speciellt inom fysiken. Ljuset i en laser har bara en våglängd. Alla partiklar uppför sig som en, så att alla vågor rör sig i exakt samma riktning. Det är det som ger lasern sin karakteristiska stråle.

Nu har nederländska fysiker lyckats skapa en stråle bestående av materiavågor som beter sig på samma sätt som ljus i en vanlig laser. En så kallad atomlaser.

Fysiker har i många år försökt få atomer att bete sig som en enda i en våg. Det lyckades man i princip med för ett par år sedan – men hittills aldrig i mer än mycket kort tid åt gången.

De nederländska fysikernas stora genombrott är att de har hittat ett sätt att få atomerna att konstant röra sig som en enda atom.

Atomerna måste kylas ned

Kvantmekaniken har lärt oss att, på samma sätt som ljus rör sig i vågor, kan även atomer uppfattas som vågor.

Medan en vanlig laser sänder ut sammanhängande vågor av ljuspartiklar, så sänder en atomlaser ut sammanhängande vågor av materia.

Atomlasern grundas på det så kallade Bose–Einstein-kondensatet, även kallat BEC, som är en speciell materiefas i vilken en grupp atomer kan befinna sig. En fas där atomerna varken är gas, flytande eller i fast form.

Det speciella med BEC är det skapas materievågor när atomerna fryses ned till omkring den absoluta nollpunkten, -273,15 grader Celsius.

Det är då det blir möjligt att få atomerna att bete sig som en enhet. Vid varmare temperaturer rör sig atomerna i alla möjliga olika riktningar.

Atomlaser materievågor

En illustration av hur atomerna rör sig som en enhet av vågor. Till det läggs konstant nya atomer (i blått), som ingår i Bose-Einstein-kondensatet i mitten. I verkligheten är atomerna inte synliga för blotta ögat.

© University of Amsterdam/Scixel

En färsk portion atomer

För 25 år sedan lyckades man skapa den första atomlasern, som kunde sända ut materievågor.

Den så kallade BEC fungerade dock bara i korta stunder, varpå den måste bytas ut för att kunna sända ut en ny puls med materievågor. Det krävdes med andra ord att nya, nedkylda atomer lades till lika fort som atomstrålarna lämnade lasern.

Den ledande forskaren på projektet, Florian Schreck, förklarar att de löste problemet genom att hela tiden byta ut BE-kondensatet i ett system som såg till att atomerna hela tiden höll varandra nedkylda.

"Vi får atomerna att röra sig samtidigt som de utvecklas genom på varandra fortlöpande nedkylningssteg. Till sist når ultrakalla atomer till experimentets hjärta, där de kan användas till att bilda sammanhängande materievågor i ett BE-kondensat. På så sätt kan vi hålla i gång processen – praktiskt talat för evigt."

Genom att ta fram en maskin med två separata vakuumkammare, leds konstant en ny stråle atomer genom kamrarna, så att BE-kondensatet konstant fylls på utan att atomerna sönderfaller. Partiklarna fryses ned av en nedkylningslaser.

Maskinen kan därför fungera i oändlighet, samtidigt som det sänds ut stabila strålar av materievågor.

Den nya atomlasern kan i princip utföra samma uppgifter som en vanlig laser, men forskarna har än större drömmar.

Med den nya lasern kommer vi närmare att hitta mörk materia och mörk energi i rymden, samt att lokalisera gravitationsvågor och exempelvis förbättra rymdnavigering.