Partnerskab på afstand:Dybfrosne heliummolekyler

Heliumatomer er ensomme. Kun hvis de afkøles til en ekstremt lav temperatur, danner de et meget svagt bundet molekyle. Ved at gøre sådan, de kan holde en enorm afstand til hinanden takket være den kvantemekaniske tunneleffekt. Som atomfysikere i Frankfurt nu har kunnet bekræfte, over 75 procent af tiden er de så langt fra hinanden, at deres binding kun kan forklares ved den kvantemekaniske tunneleffekt.

Bindingsenergien i heliummolekylet udgør kun omkring en milliarddel af bindingsenergien i hverdagsmolekyler som ilt eller nitrogen. Ud over, molekylet er så stort, at små vira eller sodpartikler kunne flyve mellem atomerne. Dette skyldes, fysikere forklarer, til den kvantemekaniske "tunneleffekt". De bruger en potentiel brønd til at illustrere bindingen i et konventionelt molekyle. Atomer kan ikke bevæge sig længere væk fra hinanden end "murene" i denne brønd. Imidlertid, i kvantemekanikken kan atomerne tunnelere ind i væggene. "Det er som om to mennesker hver især graver en tunnel på deres egen side uden udgang", forklarer professor Reinhard Dörner fra Institute of Nuclear Physics ved Goethe University Frankfurt.

Dörners forskningsgruppe har produceret dette heliummolekyle i laboratoriet og studeret det ved hjælp af COLTRIMS reaktionsmikroskop udviklet på universitetet. Forskerne var i stand til at bestemme styrken af ​​bindingen med et niveau af præcision, der ikke tidligere var opnået, og målte afstanden mellem de to atomer i molekylet. "Heliummolekylet er noget af en berøringssten for kvantemekaniske teorier, da værdien af ​​bindingsenergien teoretisk forudsagt er stærkt afhængig af, hvor præcist alle fysiske og kvantemekaniske virkninger blev taget i betragtning ", forklarer Dörner.

Selv relativitetsteorien, som ellers hovedsageligt kræves til astronomiske beregninger, skulle indarbejdes her. "Hvis der kun opstår en lille fejl, beregningerne producerer store afvigelser eller indikerer endda, at et heliummolekyle slet ikke kan eksistere ", siger Dörner. Præcisionsmålingerne udført af hans forskningsgruppe vil tjene som et benchmark for fremtidige forsøg.

To år brugt på at tage målinger i kælderen

Dörners forskningsgruppe begyndte at undersøge heliummolekylet tilbage i 2009, da det tyske forskningsfond tildelte ham et Reinhart Koselleck -projekt og finansiering til et beløb af 1,25 mio. "Denne form for finansiering er risikokapital, som det var, hvormed det tyske forskningsfond støtter eksperimenter med lang leveringstid ", forklarer Dörner. Han var således i stand til at designe og oprette de første forsøg med sin gruppe. Indledende resultater blev opnået af Dr. Jörg Voigtsberger inden for rammerne af sin doktorafhandling. "I søgen efter atomer, der 'bor i tunnelen', Jörg Voigtsberger tilbragte to år af sit liv i kælderen ", minder om doktor Till Jahnke, lektor og Voigtbergers vejleder dengang. Er det der, i kælderen, at laserlaboratoriet i atomfysikgruppen har til huse.

Stefan Zeller, den næste forsker, forbedrede udstyret betydeligt ved hjælp af Dr. Maksim Kunitski og øgede målepræcisionen yderligere. For at gøre det, en af ​​hans opgaver var at skyde mod det meget svagt bundne heliummolekyle med FLASH, frielektronlaseren på DESY forskningscenter i Hamborg og den største "fotonkanon" i Tyskland. "Stefan Zellers arbejde var bemærkelsesværdigt. Det var hans utrættelige indsats, hans fremragende eksperimentelle forskningsevner og hans evne til ikke at blive modløs af midlertidige tilbageslag, der overhovedet gjorde vores succes mulig ", bemærker professor Dörner, Zellers doktorvejleder.

Resultaterne har allerede på forhånd tiltrukket stor interesse på nationalt og internationalt plan. De vil nu blive vist i den berømte journal Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ) og er også en del af det forskningsarbejde, som gruppen blev tildelt Helmholtz -prisen 2016.