Afgelopen jaar won hij de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn onderzoek naar interacties tussen fotonen en atomen. Serge Haroche was in Nederland als hoofdspreker van het FYSICA-evenement van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging. Kennislink benutte deze gelegenheid om hem te interviewen.
Het leven van een Nobelprijswinnaar is zwaar. Talloze uitnodigingen voor symposia en conferenties, de wereld over vliegen en steeds weer vertellen over de ontdekking die je de meest prestigieuze wetenschapsprijs opleverde. En dan ook nog journalisten te woord staan.
Serge Haroche lijkt er maar kalm onder. Hij zit in een hoekkamer van de aula van de Technische Universiteit in Delft en schenkt zijn glaasje water in als hem het vuur aan de schenen wordt gelegd door drie verschillende journalisten. Rustig vertelt hij in het Engels (met een duidelijke Frans accent) over zijn onderzoek, het winnen van de Nobelprijs en wat er beter zou kunnen in het huidige onderzoek.
Haroche: een korte bio
De Fransman Serge Haroche werd in 1944 geboren in Casablanca, in Marokko. Hij is momenteel werkzaam aan het instituut waaraan hij ook studeerde, het École Normale Supérieure in Parijs. Hij promoveerde in 1971 aan de Pierre-en-Marie-Curie-universiteit in Parijs. Tussen 1975 en 2001 was hij hier ook hoogleraar. Sindsdien is hij hoogleraar quantumfysica aan het Collège de France. Ook hij won al vele prijzen en awards voor zijn onderzoek.
In zijn onderzoek doet Haroche metingen aan fotonen, zonder ze daarbij te vernietigen. Bijzonder, want een bij een klassieke meting wordt een foton altijd geabsorbeerd en daarbij vernietigd. Door het foton te laten ‘leven’ kunnen bepaalde eigenschappen onderzocht worden die door de quantummechanica worden voorspeld.
Meneer Haroche, waarom wilde u zo graag metingen doen aan een enkel foton?
“Toen ik eind jaren ’60 tijdens mijn promotie begon met experimenten waarin we atomen manipuleerden met licht, gebruikten we eigenlijk enorme hoeveelheden atomen en fotonen. Er waren zoveel fotonen in het experiment dat we het licht nog ‘klassiek’, als een golf, konden beschrijven.
De grondleggers van de quantummechanica, waarmee het gedrag van deeltjes op de allerkleinste schaal beschreven kan worden.
Benjamin Couprie/Institut International de Physique de Solvay via publiek domeinMaar gaandeweg ontwikkelden we een theorie waarin het licht als een wolk van individuele fotonen gingen beschrijven, en daarbij kwam de quantummechanica in het spel. Niemand had dat tot dan toe gedaan voor dit soort experimenten, maar we konden met de theorie prima voorspellingen doen voor wat we zagen.
Ik herrinner me dat iemand van mijn promotiecommissie zich afvroeg waarom we die quantummechanica erbij hadden gehaald. Ik zei, omdat dit een elegantere manier is om te beschrijven wat er in de experimenten gebeurt.
Ondertussen dacht ik dat we op een dag misschien wel een experiment konden uitvoeren waarbij quantummechanica niet alleen elegant maar ook essentieel is voor het begrijpen van het experiment. Ik wist dat we daarvoor naar minder atomen en minder fotonen moesten gaan. Sinds het begin van de jaren ’80 hebben we onze zinnen gezet op een experiment met slechts één foton en één atoom.”
En, hoe vangt u één foton?
“Het begint met het koelen van een spiegelholte, die bestaat uit twee tegenover elkaar geplaatste kromme spiegels. Als die koud genoeg is dan weet je dat er naar verloop van tijd geen fotonen meer aanwezig zijn. Wat je dan doet is het naar binnen sturen van een geëxciteerd atoom.
De experimentele opzet waarmee Serge Haroche fotonen onder de loep nam. Vergroot voor meer uitleg.
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of SciencesAangezien je van te voren kunt voorspellen hoe lang dit atoom geëxciteerd zal blijven kun je ervoor zorgen dat hij precies in de holte naar een lager energieniveau valt. Daarbij wordt een foton uitgezonden. Wanneer het atoom de holte verlaat, verraadt het de bezorging van het foton. Als hij namelijk naar een lager energieniveau is gevallen dan weet je dat hij een foton heeft achtergelaten in de holte.
Als we vervolgens een zogenoemd Rydberg-atoom door de holte sturen dan kan het een interactie ondergaan met het gevangen foton. Daarbij wordt de manier waarop het atoom trilt een klein beetje veranderd. En dat kunnen we meten als het Rydberg-atoom de holte heeft verlaten. In feite hebben we zo een metingen gedaan aan een foton zonder het kapot te maken. En dat is bijzonder, want normaal gesproken zou elke meting het foton vernietigen.”
Wist u toentertijd dat u voor uw onderzoek mogelijk een Nobelprijs zou kunnen winnen?
“Ik hoopte het, maar zeker weten wist ik het natuurlijk niet. Er waren wel collega’s die vertelden dat ik de Nobelprijs zou kunnen winnen, maar daar heb ik verder niet meer bewust bij stilgestaan.
Je moet als wetenschapper ook niet op een Nobelprijs gaan zitten wachten, daar kun je zeer ongelukkig van worden. Ik kan zo tien mensen opnoemen van wie ik denk dat ze een Nobelprijs kunnen winnen de komende tien jaar. Dat weten ze zelf waarschijnlijk ook, maar uiteindelijk is een kwestie van kans en niet eens zozeer het feit dat één persoon veel beter is dan de rest. Het hangt bijvoorbeeld af van wie er in het Nobelprijs-committee zit. Ik vermoed dat bij mij meespeelde dat er een mooie symmetrie was met het onderzoek van David Wineland, waarmee ik de prijs deelde.”
Hebt u momenteel nog wel tijd voor de wetenschap?
“De laatste zes maanden heb ik daar helemaal geen tijd voor gehad. Niet alleen door de vele lezingen die ik geef en conferenties die ik bijwoon, maar ook omdat ik sinds vorig jaar de directeur ben van Collège de France wat natuurlijk ook veel tijd kost. Ik probeer nog steeds te volgens wat mijn collega’s in het laboratorium aan het doen zijn en ik hoop daar over een paar maanden ook zelf weer meer mee bezig te zijn.
Ik wil met een nieuwe opstelling gaan proberen om de interactietijd tussen een foton en atoom te kunnen verlengen. Nu zitten we op een interactietijd van ongeveer 20 microseconden, maar door gebruik te maken van koude atomen willen we dit oprekken tot milliseconden. Daarmee zouden nog preciezere spectroscopische metingen aan individuele fotonen mogelijk zijn.”
Wat kan er beter in het huidige onderzoek?
“Ik vind het belangrijk dat wetenschappers voor lange tijd steun krijgen, bijvoorbeeld voor een periode langer dan vijf jaar. Dat is bij mijn onderzoek ook heel belangrijk geweest, daarin was het essentieel dat mensen voor lange tijd goed samen konden werken.
Ik pleit dan ook voor lange financieringsprogramma’s en bovendien zonder dat er van te voren een verwachtingsplan is voor elk half jaar. Dat soort controles kosten wetenschappers ontzettend veel tijd. Eigenlijk is het heel raar om als onderzoeker precies op te schrijven wat je in de komende zes maanden gaat doen, dat is eigenlijk precies het tegenovergestelde van hoe fundamenteel onderzoek werkt.
Natuurlijk moet je iemand wel kunnen vertrouwen met veel tijd en geld, maar als je weet dat iemand goed is dan moet dat kunnen. Momenteel vind ik dat er teveel controlepunten en beperkingen in het wetenschappelijke systeem zijn geslopen.”
U heeft er een ogenschijnlijk moordend reisschema aan overgehouden, zou u het wat dat betreft iedereen aanraden een Nobelprijs te winnen?
“Dat hangt een beetje af van het moment in je carrière. Volgens mij is het niet zo goed om hem al heel vroeg te winnen, omdat je dan simpelweg niet meer aan onderzoek toekomt. Aan de andere kant kun je op zo’n moment ook heel wijs zijn en alle uitnodigingen die je krijgt afslaan. Maar dat is lastig, ik ken een paar collega’s die hierdoor niet meer aan het echte werk toe komen.
Voor mij persoonlijk was dat overigens niet zo’n probleem, want ik heb de prijs laat in mijn loopbaan gekregen. Voor mij is het minder erg om af en toe van mijn werk afgeleid te zijn. Alhoewel, ik wil zeker nog onderzoek doen. Ik hoop dat alles het volgend jaar wat rustiger is en dat ik terug ben in het lab.”