Heliumatomer är ensamma. Endast om de kyls ner till extremt låg temperatur bildar de en mycket svagt bunden molekyl. Därvid, de kan hålla ett enormt avstånd från varandra tack vare den kvantmekaniska tunneleffekten. Som atomfysiker i Frankfurt nu har kunnat bekräfta, över 75 procent av tiden är de så långt ifrån varandra att deras bindning endast kan förklaras av den kvantmekaniska tunneleffekten.

Bindningsenergin i heliummolekylen uppgår till endast cirka en miljarddel av bindningsenergin i vardagliga molekyler som syre eller kväve. Dessutom, molekylen är så enorm att små virus eller sotpartiklar kan flyga mellan atomerna. Detta beror på fysiker förklarar, till den kvantmekaniska "tunneleffekten". De använder en potentiell brunn för att illustrera bindningen i en konventionell molekyl. Atomerna kan inte röra sig längre bort från varandra än "väggarna" i denna brunn. Dock, inom kvantmekaniken kan atomerna tunneleras in i väggarna. "Det är som om två personer gräver varsin tunnel på sin sida utan utgång", förklarar professor Reinhard Dörner vid Institutet för kärnfysik vid Goethe-universitetet i Frankfurt.

Dörners forskargrupp har tagit fram denna heliummolekyl i laboratoriet och studerat den med hjälp av COLTRIMS reaktionsmikroskop som utvecklats vid universitetet. Forskarna kunde bestämma bindningens styrka med en precisionsnivå som inte tidigare uppnåtts och mätte avståndet mellan de två atomerna i molekylen. "Heliummolekylen är något av en prövosten för kvantmekaniska teorier, eftersom värdet av den teoretiskt förutsägda bindningsenergin är starkt beroende av hur noggrant alla fysikaliska och kvantmekaniska effekter togs i beaktande", förklarar Dörner.

Även relativitetsteorin, som annars huvudsakligen krävs för astronomiska beräkningar, måste införlivas här. "Om bara ett litet misstag inträffar, beräkningarna ger stora avvikelser eller indikerar till och med att en heliummolekyl inte kan existera alls", säger Dörner. Precisionsmätningarna utförda av hans forskargrupp kommer att fungera som riktmärke för framtida experiment.

Två år tillbringade mätningar i källaren

Dörners forskargrupp började undersöka heliummolekylen redan 2009, när den tyska forskningsstiftelsen tilldelade honom ett Reinhart Koselleck-projekt och finansiering till ett belopp av 1,25 miljoner euro. "Denna typ av finansiering är riskkapital, som det var, med vilken den tyska forskningsstiftelsen stöder experiment med lång ledtid", förklarar Dörner. Han kunde alltså designa och sätta upp de första experimenten med sin grupp. De första resultaten uppnåddes av Dr Jörg Voigtsberger inom ramen för sin doktorsavhandling. "I sökandet efter atomer som 'bor i tunneln', Jörg Voigtsberger tillbringade två år av sitt liv i källaren", minns Dr Till Jahnke, lektor och dåvarande Voigtbergers handledare. Är det där, i källaren, att atomfysikgruppens laserlaboratorium är inrymt.

Stefan Zeller, nästa doktorand, förbättrade utrustningen avsevärt med hjälp av Dr. Maksim Kunitski och ökade mätprecisionen ytterligare. Att göra så, en av hans uppgifter var att skjuta på den mycket svagt bundna heliummolekylen med FLASH, frielektronlasern vid DESY forskningscenter i Hamburg och den största "fotonkanonen" i Tyskland. "Stefan Zellers arbete var anmärkningsvärt. Det var hans outtröttliga ansträngning, hans utmärkta experimentella forskningsförmåga och hans förmåga att inte bli nedslagen av tillfälliga motgångar som gjorde vår framgång möjlig överhuvudtaget", anmärker professor Dörner, Zellers doktorandhandledare.

Redan på förhand har resultaten rönt stort intresse på nationell och internationell nivå. De kommer nu att dyka upp i den välrenommerade tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) och är också en del av det forskningsarbete som gruppen tilldelades Helmholtzpriset 2016 för.