Heliumatomen zijn eenlingen. Alleen als ze worden afgekoeld tot een extreem lage temperatuur, vormen ze een zeer zwak gebonden molecuul. Door dit te doen, ze kunnen een enorme afstand van elkaar houden dankzij het kwantummechanische tunneleffect. Zoals atoomfysici in Frankfurt nu hebben kunnen bevestigen, meer dan 75 procent van de tijd zijn ze zo ver uit elkaar dat hun binding alleen kan worden verklaard door het kwantummechanische tunneleffect.

De bindingsenergie in het heliummolecuul bedraagt ​​slechts ongeveer een miljardste van de bindingsenergie in alledaagse moleculen zoals zuurstof of stikstof. In aanvulling, het molecuul is zo groot dat kleine virussen of roetdeeltjes tussen de atomen kunnen vliegen. Dit is te wijten, natuurkundigen leggen uit, tot het kwantummechanische "tunneleffect". Ze gebruiken een potentiaalput om de binding in een conventioneel molecuul te illustreren. De atomen kunnen niet verder van elkaar af bewegen dan de "muren" van deze put. Echter, in de kwantummechanica kunnen de atomen in de muren tunnelen. "Het is alsof twee mensen elk aan hun eigen kant een tunnel graven zonder uitgang", legt professor Reinhard Dörner van het Instituut voor Kernfysica van de Goethe-universiteit Frankfurt uit.

De onderzoeksgroep van Dörner heeft dit heliummolecuul in het laboratorium geproduceerd en bestudeerd met behulp van de aan de universiteit ontwikkelde COLTRIMS-reactiemicroscoop. De onderzoekers konden de sterkte van de binding bepalen met een nauwkeurigheid die niet eerder werd bereikt en maten de afstand tussen de twee atomen in het molecuul. "Het heliummolecuul is een soort toetssteen voor kwantummechanische theorieën, aangezien de waarde van de theoretisch voorspelde bindingsenergie sterk afhankelijk is van hoe nauwkeurig alle fysieke en kwantummechanische effecten in aanmerking zijn genomen", legt Dörner uit.

Zelfs de relativiteitstheorie, die anders vooral nodig is voor astronomische berekeningen, hier moest worden opgenomen. "Als er maar een kleine fout optreedt, de berekeningen geven grote afwijkingen of geven zelfs aan dat een heliummolecuul helemaal niet kan bestaan", zegt Dörner. De precisiemetingen van zijn onderzoeksgroep zullen als maatstaf dienen voor toekomstige experimenten.

Twee jaar bezig geweest met metingen in de kelder

De onderzoeksgroep van Dörner begon in 2009 met het onderzoeken van het heliummolecuul. toen de Duitse Onderzoeksstichting hem een ​​Reinhart Koselleck-project en een financiering van € 1,25 miljoen toekende. "Dit type financiering is risicokapitaal, als het ware, waarmee de Duitse Onderzoeksstichting experimenten met een lange doorlooptijd ondersteunt", legt Dörner uit. Zo kon hij met zijn groep de eerste experimenten ontwerpen en opzetten. De eerste resultaten werden behaald door Dr. Jörg Voigtsberger in het kader van zijn proefschrift. "In de zoektocht naar atomen die 'in de tunnel leven', Jörg Voigtsberger bracht twee jaar van zijn leven in de kelder door", herinnert Dr. Till Jahnke zich, hoofddocent en destijds begeleider van Voigtberger. Het is daar, in de kelder, dat het laserlaboratorium van de groep atoomfysica is gehuisvest.

Stefan Zeller, de volgende doctoraatsonderzoeker, de apparatuur aanzienlijk verbeterd met de hulp van Dr. Maksim Kunitski en de meetnauwkeurigheid nog verder verhoogd. Om dit te doen, een van zijn taken was om met FLASH op het zeer zwak gebonden heliummolecuul te schieten, de vrije-elektronenlaser in het DESY-onderzoekscentrum in Hamburg en het grootste "fotonenkanon" in Duitsland. "Stefan Zeller's werk was opmerkelijk. Het was zijn onvermoeibare inspanning, zijn uitstekende experimentele onderzoeksvaardigheden en zijn vermogen om niet te worden ontmoedigd door tijdelijke tegenslagen die ons succes überhaupt mogelijk hebben gemaakt", merkt professor Dörner op, Zeller's promotor.

Reeds van tevoren hebben de resultaten op nationaal en internationaal niveau veel belangstelling gewekt. Ze verschijnen nu in het gerenommeerde tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) en maken ook deel uit van het onderzoekswerk waarvoor de groep de Helmholtzprijs 2016 ontving.