Iedereen die de wereld van de kwantumfysica betreedt, moet zich voorbereiden op nogal wat dingen die in de dagelijkse wereld onbekend zijn:edelgassen vormen verbindingen, atomen gedragen zich tegelijkertijd als deeltjes en golven en gebeurtenissen die in de macroscopische wereld elkaar uitsluiten, vinden gelijktijdig plaats.

In de wereld van de kwantumfysica, Reinhard Dörner en zijn team werken met moleculen die - in de zin van de meeste leerboeken - niet zouden moeten bestaan:heliumverbindingen met twee atomen, bekend als heliumdimeren. Helium wordt juist een edelgas genoemd omdat het geen verbindingen vormt. Echter, als het gas wordt afgekoeld tot slechts 10 graden boven het absolute nulpunt (min 273 °C) en vervolgens door een klein mondstuk in een vacuümkamer wordt gepompt, waardoor het nog kouder wordt, dan - zeer zelden - worden zulke heliumdimeren gevormd. Dit zijn ongeëvenaard de zwakst gebonden stabiele moleculen in het heelal, en de twee atomen in het molecuul zijn dienovereenkomstig extreem ver van elkaar verwijderd. Terwijl een chemische verbinding van twee atomen gewoonlijk ongeveer 1 angstrom (0,1 nanometer) meet, heliumdimeren meten gemiddeld 50 keer zoveel, d.w.z. 52 angstrom.

De wetenschappers in Frankfurt bestraalden zulke heliumdimeren met een extreem krachtige laserflits, die de binding tussen de twee heliumatomen enigszins verdraaide. Dit was genoeg om de twee atomen uit elkaar te laten vliegen. Vervolgens zagen ze - voor de allereerste keer - het heliumatoom wegvliegen als een golf en legden ze het vast op film.

Volgens de kwantumfysica, objecten gedragen zich tegelijkertijd als een deeltje en een golf, iets dat vooral bekend is van lichtdeeltjes (fotonen), die enerzijds als golven over elkaar heen liggen waar ze elkaar kunnen opstapelen of uitdoven (interferentie), maar aan de andere kant omdat 'zonnewind' ruimtevaartuigen kan voortstuwen via hun zonnezeilen, bijvoorbeeld.

Dat de onderzoekers in hun laserexperiment het wegvliegende heliumatoom als een golf konden observeren en filmen, was te wijten aan het feit dat het heliumatoom slechts met een bepaalde waarschijnlijkheid wegvloog:met een waarschijnlijkheid van 98 procent was het nog steeds gebonden aan zijn tweede heliumpartner, met een kans van 2 procent dat het wegvloog. Deze twee heliumatoomgolven - Hier komt het, kwantumfysica! -superponeren, en hun interferentie kon worden gemeten.

Het meten van dergelijke 'kwantumgolven' kan worden uitgebreid tot kwantumsystemen met meerdere partners, zoals het heliumtrimeer bestaande uit drie heliumatomen. Het heliumtrimeer is interessant omdat het een zogenaamde 'exotische Efimov-toestand kan vormen, ' zegt Maksim Kunitski, eerste auteur van de studie:"Dergelijke driedeeltjessystemen werden voorspeld door de Russische theoreticus Vitaly Efimov in 1970 en voor het eerst bevestigd op cesiumatomen. Vijf jaar geleden, we ontdekten de Efimov-toestand in het heliumtrimeer. De laserpulsbestralingsmethode die we nu hebben ontwikkeld, zou ons in de toekomst in staat kunnen stellen om de vorming en het verval van Efimov-systemen te observeren en zo beter inzicht te krijgen in kwantumfysische systemen die experimenteel moeilijk toegankelijk zijn."