Onderzoekers bouwen atoomlaser voor holografie

Onderzoekers van The Australian National University hebben een laser ontwikkeld die werkt met atomen in plaats van fotonen. De atoomlaser zendt een coherente deeltjesbundel uit die gebruikt kan worden om holografische beelden te maken.

Om de laser atomen te laten afvuren, werd de temperatuur van heliumatomen verlaagd tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. De atomen hebben in deze staat eigenschappen die vergelijkbaar zijn met licht. Net als een conventionele laser vormt de atoomlaser een coherente bundel. Het kenmerk van een coherente bundel is dat de golfbewegingen van de afgevuurde deeltjes voor het grootste gedeelte met elkaar in fase zijn, zodat een typische laserbundel ontstaat. Bij hogere temperaturen blijkt dat atomen tegelijkertijd bij hun doel kunnen aankomen en daardoor geen coherente bundel meer vormen. De afgekoelde atomen vertonen echter een patroon, net als fotonen, waarbij er een willekeurige afstand bestaat tussen individuele atomen, maar geen 'overlap' ontstaat.

Holografische beelden worden normaal gesproken gevormd met een laser die een coherente lichtbundel uitzendt, om vervolgens met behulp van spiegels een 3d-beeld van een object te vormen. Door de ontdekking dat atomen op zeer lage temperaturen kunnen worden gebruikt als alternatief voor fotonen, verwachten de wetenschappers dat de atoomlaser in de toekomst kan worden ingezet bij het creëren van holografische beelden.

Reacties (62)

[Jolke]

Simpel gezegd: een LASER straalt een coherente lichtbundel uit, een lichtbundel waarbij alle golven in fase lopen. Hierdoor kan dit licht ver 'stralen', het wordt niet verstrooid en dus niet zwakker. 'Normale' LASER emitteren licht bij kamertemperatuur, omdat we het graag onder normale omstandigheden willen gebruiken: een LASERpointer, etc...

Als we echter een hele kleine LASER willen bouwen, als optisch element in een schakeling, dan is het handig als de LASER zelf erg klein gebouwd kan worden. Op zich zijn atomaire LASERs niet nieuw, maar hebben het nadeel dat er tot bijna 0K afgekoeld dient te worden. Dit komt omdat elk materiaal, elke molekuul, elk atoom trilt wanneer het een temperatuur boven 0K heeft. Door zoveel af te koelen verminder je de trilling en daarmee verstrooiing van het licht.

In principe stelde De Broglie dat elk materiaal het karakter heeft van zowel een golf als een deeltje. De golflengte hangt af van de massa en snelheid, dus zijn impuls. Omdat elk materiaal ook als golf beschouwd kan worden, emitteert het dus ook een soort 'licht', of algemener gezegd een electromagnetische golf.

λ = h / p

λ = golflentgte, p is impuls, h is de constante van Planck.

Electronen emitteren licht, maar dus ook atomen. Sterker nog, jij en ik emitteren ook 'licht'. Echter omdat h in de orde grootte van 10^-34 ligt, merken wij niets van deze golflengte.

Een elektronenmicroscoop werkt op het principe van De Broglie: in plaats van met zichtbaar licht te kijken, kijk je met behulp van 'elektronen'. De golflengte van elektronen is veel kleiner dan zichtbaar licht, en dus heb je beschikking over meer detail bij het kijken. Vergelijk de resolutie: van een lichtmicroskoop tot een paar micrometer, een elektronenmicroscoop kan je tot nanometer bekijken.

Back to topic: een belangrijk probleem dat nog opgelost moet worden is het verkleinen van de koeling. Als je een atoom-LASER kunt maken, maar je hebt een heel lab nodig om de koeling te realizeren, dan heeft het nog weinig zin. Echter, ik verwacht dat er andere materialen gevonden zullen worden die bij hogere temperaturen zullen emitteren.
Analoog aan de utvinding van supergeleidend materiaal dat bij hogere temperaturen werkt. Helaas is dat vandaag de dag nog lang niet bij kamertemperatuur, maar het scheelt al flink als je niet meer met vloeibaar helium maar met vloeibaar stikstof kunt koelen.

[Reactie gewijzigd door Jolke op 23 juli 2024 22:59]

[Anoniem: 175233]

Graag een beetje voorzichtiger met de termen...

Een laserbundel wordt wel degelijk verstrooid, en wordt ook wel degelijk zwakker. Het is en blijft gewoon licht. Wat wél kenmerkend is voor een laser, is dat de bundel heel goed gecollimeerd is. Anders gezegd, al het licht gaat dezelfde kant op. Dat maakt het makkelijk het ver te schijnen, zonder dat het uitspreid. Maar dat heeft weinig tot niets met de coherentie te maken. Licht hoeft niet in fase te lopen, om toch goed gecollimeerd te zijn.

Wat betreft het 'atomaire' van de laser in het artikel... het gaat daarbij niet om de grootte van de laser, maar om de emissie. Het is een "laser" die atomen uitzend, i.p.v. fotonen.

Enne... je de Broglie verhaal gaat een beetje de mist in... Je kunt deeltjes als golven beschouwen, maar dat wil niet zeggen dat deeltjes straling uitzenden! Integendeel, de deeltjes zijn dan juist de straling. En dat is dus wordt hier wordt gedaan... De helium atomen die hier verzonden worden, gedragen zich als een coherent golf.

[Anoniem: 293388]

bedankt voor de heldere uitleg

[NomoDigger]

De atoomlaser is niet te gebruiken als een gewone laser.

De gewone laser is ooit ontstaan bij onderzoek naar licht, wetenschappers hebben een manier gevonden om allemaal fotonen in dezelfde toestand te maken. Deze truc is nu dus ook met atomen gelukt. Dit is wetenschappelijk interessant, maar nog niet direct praktisch toepasbaar. Merk wel op dat de lichtlaser ook niet met een praktisch doel is ontworpen, maar dat later bleek dat je wel erg veel met dat licht kan.

Een atoomlaser iets beter uitgelegd: [url]http://cua.mit.edu/personal/chikkatur/publicity/cont_bec/MIT%20researchers%20create%20a%20continuous%20source%20of%20coherent%20atoms.htm[\url]

[RielN]

Met mijn beperkte kennis van deze materie vraag ik mij af: heeft een laser van atomen niet een bepaalde massa, m.a.w. als je het op een punt mikt, krijg ik daar dan geen hoopje helium? Of oefen ik geen kracht uit op datgene waarop ik schijn?

Of praat ik nu bs.?

[jw_moonshine]

Je oefent altijd kracht ergrns op als je ergens licht op schijnt. Alleen is die kracht zoo ontzettend klein dat je er nooit iets van zult merken.
Je gedachte over een klein hoopje helium is logisch, maar het zal niet zo zijn. Helium gedraagt zich bij in deze omstandigheden als een golf. Deze zal worden opgenomen door het object waar je op 'schijnt', waarop het object zelf fotonen uitstraalt welke door jou ogen gezien kan worden als 'licht'

[Anoniem: 175233]

Onzin! Die helium atomen verdwijnen niet zomaar in het niets.
Fotonen zijn pure energie, en die kan worden geabsorbeerd, en in andere vormen worden doorgegeven. We hebben het hier echter over deeltjes met massa. Dat kun je niet eventjes absorberen en omzetten... (Of je moet in koude kernfusie geloven... )

[Anoniem: 171689]

Qua lichtkracht, dat doen fotonen ook al, daarmee kan je zelfs een zonnezeil aandrijven. Die atomen zijn zwaarder maar zullen wel een lagere snelheid hebben, dus ik zou niet weten hoe dat te vergelijken.

[Anoniem: 343588]

Oud nieuws. Dit was 5 jaar geleden al ontwikkeld.

[jw_moonshine]

Enn atoomlaser bestaat al langer ja. Maar dat de atomen in een coherente bundel afschieten is nieuw.
Hier een artikel uit 2007 waarin word gesproken over een atoomlaser

[MSalters]

“We propose a scheme which allows an atom laser beam "
"Dr Bradley said the team would now embark on more detailed calculations"
"Dr John Close at ANU also has plans to implement these experiments in the next few years.

Het idee bestaat al langer. Zoiets daadwerkelijk bouwen kost meer tijd. Bij de originele laser duurde het van 1939 tot 1960.

[Anoniem: 343588]

Nee hoor, deze techniek is al 5 jaar geleden ontwikkelt door geprivatiseerde militairen bedrijven.

[TDB]

bron?

[TheSiemNL]

Aan de foto te zien is dit al in de jaren 80 ontwikkeld! ;-)

[kbasten]

Als er een oplossing wordt gevonden voor het probleem van de koeling, kan dit best een goed product worden. Holografische beelden kunnen dan werkelijkheid worden zonder installaties van enkele vierkante meters.
Het is natuurlijk niet te doen om zo een ding af te koelen tot nagenoeg het nulpunt.
Kan dit alleen worden gebruikt voor holografie? Zou een laser met atomen niet veel meer kracht hebben dan een met fotonen? Ik ben niet helemaal goed thuis in de natuurkunde maar volgens mij heeft een atoomkern meer energie dan een foton.

[themadcarrot]

Ik vraag me af of daar een oplossing voor te vinden is. Als atomen een zogenaamde coherente bundel moeten vormen om er iets aan te hebben. En als atomen supergekoelt moeten zijn om zo'n bundel te vormen, omdat ze anders de juiste eigenschappen niet hebben, dan zullen ze dus koud moeten zijn...

Ik zie geen workaround daarvoor, maar ja, ik ben dan ook geen lid van hun team...

[jw_moonshine]

Normaal gesproken heeft een atoomkern meer energie als een foton. Maar aangezien de afoom z'n lage temperatuur heeft, heeft die veel minder (kinetische) energie. Ik denk dat een atoomdeeltje dan niet veel meer energie heeft als een foton.

Klopt het dat het atoom'deeltje' zich hier als een golf gedraagt? Ik wist wel dat elektronen zich als golven kunnen gedragen, maar van atomen heb ik het nog nooit gehoord.

[MSalters]

Mensen kunnen zich als een golf gedragen. Toegegeven, op die schaal duurt het miljarden jaren om het effect te meten.

[Anoniem: 175233]

Ik vraag me af of je echt kunt zeggen dat de atomen zich hier als een golf gedragen... Ze laten slechts één aspect zien dat je als coherentie kunt benoemen, namelijk de aankomst tijden op het target, die netjes normaal verdeeld zijn. Ik denk dat dat ook nog wel op klassieke manier beschreven kan worden...

[High-Voltage2]

Heel leuk enz, maar ik mis het belangrijkste punt uit het artikel!!
Waarom zou ik, bv als potentiële investeerder, überhaupt een atoomlaser (die dus deeltjes uitbraakt) willen gebruiken in plaats van een klassieke fotonenlaser? Wat is het voordeel/nut van een atoomlaser boven een klassieke laser?

[kbasten]

Volgens mij heeft een atoomkern veel meer energie dan een foton. Op deze manier is het dus aantrekkelijk om bijvoorbeeld te gaan lasersnijden met deze technologie. Als er meer energie gaat in een bundel die even groot is als een bundel met fotonen, kun je dus met een dunnere bundel dezelfde kracht overbrengen. Het gevolg hiervan gaat zijn dat je nauwkeuriger/sneller kunt gaan snijden wat ook op andere vakgebieden ontwikkelingen met zich meebrengt.

[jw_moonshine]

Ik denk niet dat een heliumatoom onder deze omstandigheden meer (veel) meer energie zal hebben als een foton. Dat komt omdat de heliumkern zich gedraagt als een golf met een bepaalde golflengte. Deze golflengte zal in het zichtbare licht moeten liggen als je er een hologram mee wilt maken. En volgensmij staat de godlflengte in verband met de energie van het deeltje. Correct me if i'm wrong

[D.oomah]

Licht is een elektromagnetische golf, net zoals radiogolven en gamma straling. Deze golven hebben een duaal karakter; ze hebben zowel eigenschappen van deeltjes als van golven. Atomen (en elektronen) zijn geen elektromagnetische golven maar deeltjes, echter hebben atomen op lage temperaturen golfeigenschappen. Het is ze nu zelfs gelukt om een coherente atomenbundel te vormen.

Omdat er een nadruk ligt op coherente bundel vermoed ik dat ze hologrammen kunnen vormen door op sommige plekken deeltjes in fase aan te laten komen en op andere plekken in tegenfase. Op punten waar deeltjes in fase aan komen zal een hoge dichtheid gevormd worden en dus niet doorzichtig zijn. Op plekken in tegenfase zal er een lage dichtheid zijn en kun je dus doorheen kijken. Zonder coherentie is er immers geen interferentie, althans bij optica.

[mickvdv]

Als men licht als een foton (= deeltje) beschouwd dan geld de volgende formule.

Efoton = h * f

f = frequentie van de golf
h = constante van Planck = 6.626 * 10 ^ -34 Js

Echter heeft een foton een andere massa en dus ook een andere (kinetische) energie. Het bovenstaande geld dus niet voor licht dat van heliumatomen afkomstig is.

Al lijkt het me héél sterk dat de heliumatomen waargenomen worden door onze ogen als licht. Ik heb echter geen idee hoe een hologram werkt.

[ReDnAx1991]

Huh?

Een endotherme reactie is een reactie waar je energie in stopt meestal in het geval van warmte, je hebt dus energie nodig om een atoom zijn electronen aan te slaan, met als bij effect dat die harder gaan trillen om hun energie kwijt te raken.

Als je iets afkoelt naar in dit geval dan tot een duizendste van het absolute nul punt ongeveer -273,149 graden celcius doe je precies het tegenover gestelde je haalt er energie uit.

Het absolute nul punt is vast gesteld op de bevriezing van Helium verder dan dit kan niet gekoeld worden. omdat alle atomen stoppen met trillen. als ze stoppen met trillen hebben ze geen energie meer er kan dus geen energie meer aan ontrokken worden daardoor is het niet mogelijk om verder als -273,15 graden celcius te koelen omdat het Helium atoom dan stopt met trillen.

Hoe kan een atoom dan bij -273 graden celcius meer energie hebben dan in aangeslagen toestand bij bijv. 10000 graden celsius?

Voorbeeld:
Als jij alleen compleet stil ligt in een leeg zwembad en je stopt met ademen, dan creëer jij toch ook geen golven waarom zou Helium dat wel doen als het stil staat.

[Reactie gewijzigd door ReDnAx1991 op 23 juli 2024 22:59]

[Aham brahmasmi]

Het absolute nul punt is vast gesteld op de bevriezing van Helium verder dan dit kan niet gekoeld worden. omdat alle atomen stoppen met trillen. als ze stoppen met trillen hebben ze geen energie meer er kan dus geen energie meer aan ontrokken worden daardoor is het niet mogelijk om verder als -273,15 graden celcius te koelen omdat het Helium atoom dan stopt met trillen.

Dat klopt niet. Bij 0K bevriest helium niet (alleen als je het onder druk zet). Het absolute nulpunt is niet "vastgesteld" op het vriespunt van helium. In het wikipedia-artikel over het absolute nulpunt komt het woord helium ook niet één keer voor.

Zie: http://en.wikipedia.org/wiki/Helium#Solid_and_liquid_phases
http://en.wikipedia.org/wiki/Zero_point_energy

[Anoniem: 64607]

Waarom zou ik, bv als potentiële investeerder,

Heerlijk ... een echt Nederlandse opmerking: "hoe zit het met het geld". Gelukkig is dit onderzoek op een universiteit uitgevoerd door een team van gemotiveerde studenten/professoren die willen kijken welke mogelijkheden er zijn en werken zonder de basis geld verdienen.

on-topic: ik vraag mij af of de deeltjes al die tijd gekoeld moeten blijven of alleen bij het creeeren van de bundel. Het zou namenlijk wel een verschil maken of het geprojecteerde in een afgesloten gekoelde ruimte moet zijn of alleen de laser zelf.

[Anoniem: 306257]

Voordat je begint met zeuren kun je beter zijn vraag nog een keer lezen.. De vraag was namelijk niet "hoe zit het met het geld?" maar "wat zijn de voordelen boven een normale fotonen laser?" Een terechte vraag lijkt me, het artikel maakt dat niet helemaal duidelijk.

[arjankoole]

Dat is ook niet relevant.

Het kan, nu we weten dat het kan opent dat een compleet nieuwe invalshoek om research in te doen. En wellicht dat daar wat nuttigs uit komt. Zo niet, weten we in elk geval in welke richting we niet meer hoeven zoeken, right?

Wetenschap is soms ook dingen uitsluiten.

[Aham brahmasmi]

Dat is ook niet relevant.

Dat is wel relevant omdat er in het artikel wordt aangegeven dat de wetenschappers denken dat de atoomlaser nuttig kan zijn voor holografie, maar er wordt geen woord aan besteed waarom en hoe. Logisch dat dat vragen oproept.

[Reactie gewijzigd door Aham brahmasmi op 23 juli 2024 22:59]

[kzin]

Opmerkelijk dat dit werkt met atomen. Als men b.v. electronen had gebruikt, had ik me er nog iets bij kunnen voorstellen. Het is al bekend dat electronen zich als een golf kunnen manifesteren. Kennenlijk kunnen hele atomen dit ook.

Ik heb vroeger wel eens een met laser gemaakt holografisch plaatje gezien. Indrukwekkend: een plaatje plastic waar je een 3D-beeld in ziet. Als je het plaatje gaat kantelen (of je hoofd beweegt) veranderd het perspectief.

[frickY]

Dat kunnen atomen dus alleen als je ze afkoelt tot bijna -273,15° celcius.

Het lijkt me overigens dat ze met deze laser hologram-projecties gaan maken, geen 'lenticular cards' voor in de zakken chips, die feitelijk niets met holografie te maken hebben.

[poefel]

frickY, wat is een hologram-projectie?

Volgens mij bestaat zoiets niet (of het is niet echt een hologram).

[MSalters]

Er zijn tenminste twee dingen die "hologram" genoemd worden. Dat is ten eerste het fotografisch materiaal waarop een 3D beeld vastgelegd wordt, en ten tweede de 3D reconstructie die daarvan gemaakt kan worden. Een "hologram projectie" is een ondubbelzinnige naam voor het tweede.

[spank_mojoo]

betekend dit dan dat elk atoomdeeltje een kleur krijgt 'toegewezen' en met een bepaalde snelheid omhoog wordt 'geschoten'?

Dat is wat ik er van begrijp, maarja, het zal niet de eerste keer zijn dat ik de plank volledig mis sla

[jw_moonshine]

Nee, volgensmij is het zo dat bij deze lage temperaturen het heliumatoom zit gedraagt als een golf(met een bepaalde golflengte, afhankelijk van de energie van het atoom). Die golflengte bepaalt de kleur van het hologram. Een heliumkern gedraagt zich hier(bij deze lage temperatuur) dus eigenlijk als 'licht'

[Reactie gewijzigd door jw_moonshine op 23 juli 2024 22:59]

[Avar]

Ik vind het een verwarrend artikel, en dat begint al in de kop. Het ding schijnt te werken met atomen in plaats van fotonen maar zendt wel een lichtbundel uit? Worden die atomen in de laser dan zo getreiterd dat ze licht gaan geven of zo?
Bovendien, als hij inderdaad met atomen werkt, spreken we dan nog wel van Laser, met de La van Light Amplification?

[jw_moonshine]

De atomen 'gedragen' zich als golven. Deze golven hebben een bepaalde golflengte die door een object kan worden opgenomen. Dit object straalt dan fotonen uit ( in alle richtingen)die door jou ogen kunnen worden opgevangen en omgezet worden in kleuren('licht').
Zo werkt 'licht' altijd.( ook in jip en janneke taal)

[Reactie gewijzigd door jw_moonshine op 23 juli 2024 22:59]

[Anoniem: 366402]

Ik denk dat er bij de vertaling naar n00b-taal een hoop verloren is gegaan.
Dat was inderdaad ook mij gedachte; Licht zonder fotonen?

[DamonTheron]

Eventjes een domme vraag: Als je in die atoomlaserstraal gaat staan, krijg je dan geen problemen met die +-0 kelvin atomen die je tegen je aan gestampt krijgt of zijn dit er zo relatief weinig dat je er niks van merkt? Beetje lullig als je ongemerkt door een atoomlaser heen loopt en opeens een sectie van je middenrif naar absoluut nul koelt. Of is het zo dat de gehele ruimte gekoeld wordt en niet alleen de sectie waar de laser van gebruik maakt? In dat geval is het sowieso game-over als je binnenstapt

Voor de rest is het een leuke ontwikkeling en zeker een stap in de goede richting, maar ziet het er naar uit dat het nog lange tijd zal zijn voor er een star-wars type hologram op de markt zal zijn.

[Reactie gewijzigd door DamonTheron op 23 juli 2024 22:59]