Koud kouder koudst Een reis doorheen de temperatuur

Koud, kouder, koudst Een reis doorheen de temperatuur

Wat is temperatuur? • Alle materie is opgebouwd uit atomen →Alle atomen hebben energie en bewegen →Hoe warmer, hoe sneller ze bewegen • Temperatuur is een aanduiding van hoe snel atomen bewegen 2

Wat weten we over temperatuur? • Er bestaan verschillende temperatuurschalen: →Celsius →Fahrenheit →Kelvin 0°C 32°F 273, 15 K Lord Kelvin 1824 - 1907 Anders Celsius 1701 - 1744 Daniel Gabriel Fahrenheit 1686 - 1736 3

De Kelvin schaal • Fysisch gebruiken we de Kelvin schaal • Enkele waarden: Celsius (°C) Kelvin (K) Absoluut nul -273, 15 0 Universum -270, 415 2, 735 Tripelpunt water 0, 01 273, 16 Kamertemperatuur 21 294, 15 ≈ 300 Kokend water 100 373, 15 Oppervlak zon 5504 5777 Kern zon 15 699 726, 85 15 700 000 4

De Kelvin schaal 107 106 105 104 103 100 10 1 1, 5 x 107 • Fysisch gebruiken we de Kelvin schaal • Enkele waarden: 5778 373, 15 273, 16 2, 735 0, 1 300 Wij Celsius (°C) Kelvin (K) 0 2, 735 273, 16 300 0, 01 10 -3 373, 15 10 -4 5777 10 -5 15 700 000 Kelvin 0 7

Hoe omhoog en omlaag gaan? 107 106 105 104 103 • Opwarmen is eenvoudig: energie insteken →Wrijving →Warmte toevoegen 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 8

Hoe omhoog en omlaag gaan? 107 106 105 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 • Opwarmen is eenvoudig: energie insteken →Wrijving →Warmte toevoegen • Afkoelen is moeilijker: →IJsblokjes toevoegen →Warmte wegpompen →Afkoelen met koelvloeistof 10 -4 10 -5 Kelvin 9

Hoe omhoog en omlaag gaan? 107 106 105 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 • Opwarmen is eenvoudig: energie insteken →Wrijving →Warmte toevoegen • Afkoelen is moeilijker: →IJsblokjes toevoegen →Warmte wegpompen →Afkoelen met koelvloeistof 10 -4 10 -5 Kelvin 10

Onze dagelijkse wereld 107 106 105 104 103 100 10 1 • Kamertemperatuur (300 weetje: K) kennen we het Interessant beste: Snelste Het is alles wat we rondom ons zien temperatuurstijging • Welke temperaturen maken we op aarde mee? 27°C op 2 minuten (-20°C -> 7°C) Spearfish South Dakota - 22/01/1943 0, 1 Paar uur later: 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 32°C omlaag op 27 minuten 56, 7°C Warmste plekje op aarde: Furnace Creek -93, 2°C Koudste plekje op aarde: Vostok, Antartica 11

Aggregatietoestanden 107 106 105 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 • Welke aggregatietoestanden zijn er? →Vast →Vloeibaar →Gas • Maar dat is nog niet alles: →Plasma →Bose-Einstein-condensaat (BEC) →… Kelvin 12

Deel 2: We koelen af Over vloeibare stikstof, laserkoeling en magnetische vallen

We koelen af 107 106 105 104 103 • Afkoelen met ijs -> 273 K • Afkoelen met vloeibare Stikstof (N) → 77 K 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 14

We koelen af 107 106 105 104 103 100 10 1 • Afkoelen met ijs -> 273 K • Afkoelen met vloeibare Stikstof (N) → 77 K • Afkoelen met vloeibare Helium (He) → 4 K 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 15

We koelen af 107 106 105 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 • Afkoelen met ijs -> 273 K • Afkoelen met vloeibare Stikstof (N) → 77 K • Afkoelen met vloeibare Helium (He) → 4 K • Pompen op vloeibaar Helium → 1, 5 K 10 -5 Kelvin 16

We willen nog lager! 107 106 • Laserkoeling 105 104 103 100 10 Steven Chu Claude Cohen. Tannoudii William Daniel Phillips Kregen hiervoor de Nobelprijs van de natuurkunde in 1997 1 0, 01 10 -3 Laser 10 -4 10 -5 Kelvin http: //www. colorado. edu/physics/2000/applets/lcooling 1. html 18

Laserkoeling • Interactie van licht met atomen: 19

Laserkoeling • Interactie van licht met atomen: – Blauw licht wordt geabsorbeerd 20

Laserkoeling • Interactie van licht met atomen: – Violet licht niet 21

Laserkoeling • Interactie van licht met atomen: – Afhankelijk van soort atoom en frequentie van het licht. Bijvoorbeeld: waterstof (H) http: //www. colorado. edu/physics/2000/applets/lcooling 2. html 22

Laserkoeling • Interactie van licht met atomen: – Afhankelijk van soort atoom en frequentie van het licht. – Ook afhankelijk van de snelheid: Het Doppler effect. http: //www. walter-fendt. de/ph 14 e/dopplereff. htm 23

Laserkoeling: Doppler koeling • Nu wordt het blauw licht niet geabsorbeerd 24

Laserkoeling: Doppler koeling • Maar het groene wel! 25

Laserkoeling: Doppler koeling • Dus: BUNDEL AANSTORMENDE ATOMEN GROEN LASERLICHT http: //www. colorado. edu/physics/2000/applets/lcooling 3. html 26

We willen nog lager 107 106 105 • We gebruiken verdampingskoeling → Wat doe je bij een warme chocolademelk? 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 27

Verdampingskoeling 107 106 105 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 Kelvin 28

Verdampingskoeling 107 106 105 • Hoe laag kunnen we gaan met verdampingskoeling? 104 103 100 10 1 0, 01 10 -3 Record: 100 picokelvin Koudste plekje in het universum! 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 29

Verdampingskoeling 100 10 1 • Hoe laag kunnen we gaan met verdampingskoeling? 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 Record: 100 picokelvin Helsinki (Finland) 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 30

Het vangen van atomen 100 10 • Hoe houden we ultra koude atomen vast? 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 31

De magnetische val 100 10 1 • We maken een magnetische doos waarin we de deeltjes opsluiten 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 32

De magnetische val 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin http: //www. colorado. edu/physics/2000/applets/bec. html 33

Gezocht: Ultra koude atomen 100 10 1 0, 01 • Hoe gaan we de atomen bekijken? →Via laserlicht bekijken we de schaduw van de atomen 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 34

Wat zien we? 1 0, 01 10 -3 • Hoe wordt het schaduwbeeld voorgesteld? Schaduwbeeld, voorgesteld in zogenaamde “valse kleuren” : y Dichtheid 100 y x 10 -4 x dichtheid 10 -5 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin Of driedimensionale grafiek (hoogte=dichtheid), ook in valse kleuren. Dichtheid 10 -6 y x 35

Wat zien we? 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 36

Een nieuwe aggregatietoestand: BEC Carl Wieman 100 10 1 0, 01 Eric Cornell Wolfgang Ketterle MIT, Boston: Natrium atomen 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 Randy Hulet RICE, Houston: Lithium atomen. 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Boulder, Colorado: Rubidium-atomen Kelvin 37

Deel 3: Een nieuwe aggregatietoestand Bose-Einstein condensatie

Een snuifje kwantummechanica 100 10 1 • De wereld bestaat uit deeltjes, maar ook golven 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 • Alle objecten vertonen soms deeltjes- en soms golfeigenschappen → Dit noemt men de golf-deeltjes dualiteit Kelvin 39

Een snuifje kwantummechanica 100 10 • Hoe groot is de golf? 1 0, 01 10 -3 Louis Victor Pierre Raymond, 7 th duc de Broglie 1892 -1987 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 λd. B Lage temperatuur => grote golflengte Kelvin 40

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 • We hebben een gas: 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 41

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 • We koelen af => golfkarakter wordt belangrijk 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 42

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 • We koelen nog verder af => golfkarakter wordt heel belangrijk 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 43

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 • Bij heel lage temperaturen gaan de golven overlappen! 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 44

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 • Er zijn nu 2 mogelijkheden: → De deeltjes zijn fermionen => Pauli verbod: Twee fermionen mogen nooit dezelfde toestand innemen. 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin Wolfgang Ernst Pauli 1900 -1958 45

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 • Er zijn nu 2 mogelijkheden: → De deeltjes zijn fermionen => Pauli verbod: Twee fermionen mogen nooit dezelfde toestand innemen. 10 -5 10 -6 10 -7 → De deeltjes zijn bosonen: 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin Satyendra Nath Bose 1894 -1974 46

Kwantummechanica bij lage temperaturen 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 • Er zijn nu 2 mogelijkheden: → De deeltjes zijn fermionen => Pauli verbod: Twee fermionen mogen nooit dezelfde toestand innemen. 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin → De deeltjes zijn bosonen: Bosonen kunnen wel dezelfde toestand innemen. Albert Einstein 1879 -1955 47

De weg omlaag: Klassiek: knikkers 100 QM: golven 10 De Broglie 1 0, 1 Boltzmann 0, 01 Das Pauli verbot 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 Pauli 10 -7 10 -8 10 -9 Einstein 10 -10 Kelvin BEC Condensatie 48

Wat is een BEC? 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 • Bose-Einstein Condensaat Een coherente toestand waarin de “gebruikelijke” microscopische wetten van de kwantummechanica het gedrag van een macroscopisch systeem bepalen. • Dus: alle atomen gedragen zich hetzelfde Atomen in een klassiek gas: Chaos Atomen in een BEC: Allemaal hetzelfde 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 49

En wat doen we ermee? & Welke eigenschappen heeft het?

We schudden ermee 100 10 1 • We schudden door de val een beetje te verschuiven. 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 →Geen demping Kelvin 51

We knijpen erin 100 10 1 0, 01 • Door de val sterker te maken kunnen we het condensaat samendrukken → Toont de trillingswijze van het condensaat 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 52

We laten het vallen 100 10 1 • Door de val te verlagen kunnen we het condensaat laten vallen 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 → Het stuitert dan op en neer zonder wrijving 10 -10 Kelvin 53

We laten ze botsen 100 10 1 0, 1 • Wat gebeurt er als een auto botst? • En in een condensaat? 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 54

We laten ze botsen 100 10 1 0, 1 • Waarom zien we streepjes? → Omdat het golfkarakter belangrijk is. 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 55

Vortices 100 10 • We laten het condensaat ronddraaien 1 → Er ontstaat een vortex, een wervelwind 0, 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin Ivan 56

Vortices 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 • Maar een condensaat is kwantummechanisch →Vortices hebben enkel welbepaalde snelheden → Ze gaan in een rooster zitten 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 57

Atoomlasers 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 • Nu de materie zich als golven gedraagt kunnen we, net als bij licht, een laser maken • Laser = coherente lichtbron → Dus stuurt atomen uit die allemaal in dezelfde toestand zitten 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 58

100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -8 10 -9 10 -10 Dichtheid 10 -7 Kelvin 59

Besluit 100 10 1 0, 01 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 • Bij lagere temperaturen ontdekken we een heel nieuwe wetenschap. • We kunnen via experimenten informatie inwinnen, maar we gebruiken theorie om het fundamenteel te begrijpen • Er is nog veel werk voor de boeg 10 -8 10 -9 10 -10 Kelvin 60

Tot slot: Wie zijn we? TQC

TQC • Theorie van kwantum en complexe systemen • Wij bestuderen de theorie achter een hele hoop speciale en kwantummechanische systemen waaronder BEC, superfluïditeit, polaritonen, plasmonen, … 62

Zelf ook onderzoeker worden? • Wil je dit zelf ook onderzoeken of een rasechte wetenschapper worden? • Kies dan voor een opleiding wetenschappen aan de Universiteit Antwerpen. www. uantwerpen. be 64

ZIJN ER NOG VRAGEN? 65

66