Kvantebølge i heliumdimer filmet for første gang

Enhver, der går ind i kvantefysikkens verden, må forberede sig på en del ting, der ikke er kendt i hverdagens verden:Ædelgasser danner forbindelser, atomer opfører sig som partikler og bølger på samme tid, og begivenheder, der i den makroskopiske verden udelukker hinanden, sker samtidigt.

I kvantefysikkens verden, Reinhard Dörner og hans team arbejder med molekyler, som – i de fleste lærebøgers forstand – ikke burde eksistere:Heliumforbindelser med to atomer, kendt som heliumdimerer. Helium kaldes en ædelgas, netop fordi den ikke danner nogen forbindelser. Imidlertid, hvis gassen køles ned til kun 10 grader over det absolutte nulpunkt (minus 273 °C) og derefter pumpes gennem en lille dyse ind i et vakuumkammer, hvilket gør det endnu koldere, så dannes - meget sjældent - sådanne heliumdimerer. Disse er uovertruffen de svageste bundne stabile molekyler i universet, og de to atomer i molekylet er tilsvarende ekstremt langt fra hinanden. Mens en kemisk forbindelse af to atomer almindeligvis måler omkring 1 ångstrøm (0,1 nanometer), heliumdimerer måler i gennemsnit 50 gange så meget, altså 52 ångstrøm.

Forskerne i Frankfurt bestrålede sådanne heliumdimere med en ekstremt kraftig laserblitz, som lidt snoede bindingen mellem de to heliumatomer. Dette var nok til at få de to atomer til at flyve fra hinanden. De så - for allerførste gang - heliumatomet flyve væk som en bølge og optage det på film.

Ifølge kvantefysikken, objekter opfører sig som en partikel og en bølge på samme tid, noget, der er bedst kendt fra lyspartikler (fotoner), som på den ene side overlejrer sig som bølger, hvor de kan hobe sig op eller slukke hinanden (interferens), men på den anden side, da 'solvind' kan fremdrive rumfartøjer via deres solsejl, for eksempel.

At forskerne overhovedet kunne observere og filme heliumatomet, der fløj væk som en bølge i deres lasereksperiment, skyldtes, at heliumatomet kun fløj væk med en vis sandsynlighed:Med 98 procents sandsynlighed var det stadig bundet til sit anden helium partner, med 2 procents sandsynlighed fløj den væk. Disse to heliumatombølger - her kommer det, kvantefysik! – overlejre, og deres interferens kunne måles.

Målingen af ​​sådanne 'kvantebølger' kan udvides til kvantesystemer med flere partnere, såsom heliumtrimeren sammensat af tre heliumatomer. Heliumtrimeren er interessant, fordi den kan danne det, der omtales som en 'eksotisk Efimov-tilstand, siger Maksim Kunitski, første forfatter til undersøgelsen:"Sådanne tre-partikelsystemer blev forudsagt af den russiske teoretiker Vitaly Efimov i 1970 og først bekræftet på cæsiumatomer. For fem år siden, vi opdagede Efimov-tilstanden i heliumtrimeren. Den laserimpulsbestrålingsmetode, vi nu har udviklet, kan give os mulighed for i fremtiden at observere dannelsen og henfaldet af Efimov-systemer og dermed bedre forstå kvantefysiske systemer, der er svære at få adgang til eksperimentelt."