William D. Phillips veranderde de manier waarop we kou meten. De Amerikaanse natuurkundige, geboren in Wilkes-Barre, Pennsylvania, in 1948, bestudeerde niet alleen atomen. Hij bevroor ze. Zijn werk waarbij hij laserlicht gebruikte om atomen af te koelen en vast te houden, leverde hem in 1997 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op. Hij deelde de eer met Steven Chu en Claude Cohen-Tannoudji, die ook methoden voor laserkoeling en atoomvangst ontwikkelden.
Phillips promoveerde in 1976 in de natuurkunde. Hij deed postdoctoraal onderzoek aan het MIT. Vervolgens trad hij in 1978 toe tot het National Bureau of Standards in Gaithersburg, Maryland. Die plaats is nu het National Institute of Standards and Technology. Daar voerde hij het bekroonde onderzoek uit.
Hij bouwde voort op Chu’s eerdere werk. Phillips ontwikkelde nieuwe methoden voor het meten van de temperatuur van lasergekoelde atomen. In 1988 gebeurde er iets verrassends. Hij ontdekte dat de atomen een temperatuur bereikten die zes keer lager was dan de voorspelde theoretische limiet. Dit was in strijd met de regels zoals die toen bekend waren.
Claude Cohen-Tannoudji verfijnde de theorie om deze nieuwe resultaten te verklaren. Vervolgens onderzochten hij en Phillips methoden om atomen op te vangen die tot nog lagere temperaturen waren afgekoeld. Hun werk op het gebied van laserkoeling -technieken deed meer dan alleen dingen afkoelen. Het opende een deur naar een nieuwe staat van materie.
Het Bose-Einstein-condensaat
Die deur leidde tot de eerste waarneming van het Bose-Einstein-condensaat in 1995. Wetenschappers hadden deze toestand zeventig jaar eerder voorspeld, toen Albert Einstein en Satyendra Nath Bose er nog over theoretiseerden.
“In deze toestand zijn atomen zo koud en zo langzaam dat ze in feite samensmelten en zich gedragen als één enkele kwantumentiteit.”
Denk daar eens over na. Atomen stuiteren meestal rond. Ze zijn verschillend. Individueel. In een condensaat zijn ze zo koud dat ze samensmelten. Ze gedragen zich als één enkele kwantumentiteit. Het is veel groter dan welk afzonderlijk atoom dan ook.
Dit was niet zomaar een laboratoriumtruc. Het bewees dat de kwantummechanica, die doorgaans voorbehouden is aan het kleine en het snelle, kon worden waargenomen in een langzame, koude, bijna macroscopische toestand. De technieken die Phillips en zijn collega’s verfijnden, maakten het mogelijk om atomen tot een kruipsnelheid te vertragen.
Waarom is dit vandaag de dag van belang? Omdat het regelen van de temperatuur op atomair niveau ongelooflijke precisie mogelijk maakt. Het leidt tot betere atoomklokken. Het maakt nauwkeurigere sensoren mogelijk. Het helpt ons de fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid te begrijpen.
Phillips’ reis van een klein stadje in Pennsylvania naar de top van de natuurkundewereld begon met een simpele vraag: hoe koud kun je worden? En het antwoord bleek kouder dan iemand voor mogelijk hield. De laser stopte niet alleen de atomen. Het veranderde wat we dachten dat atomen konden doen.
