Les atomes d'hélium sont des solitaires. Ce n'est que s'ils sont refroidis à une température extrêmement basse qu'ils forment une molécule très faiblement liée. En faisant ainsi, ils peuvent garder une distance énorme les uns par rapport aux autres grâce à l'effet tunnel de la mécanique quantique. Comme les physiciens atomiques de Francfort ont maintenant pu le confirmer, plus de 75 % du temps, ils sont si éloignés l'un de l'autre que leur lien ne peut s'expliquer que par l'effet tunnel de la mécanique quantique.

L'énergie de liaison dans la molécule d'hélium ne représente qu'environ un milliardième de l'énergie de liaison dans les molécules courantes telles que l'oxygène ou l'azote. En outre, la molécule est si énorme que de petits virus ou particules de suie pourraient voler entre les atomes. Cela est dû, les physiciens expliquent, à "l'effet tunnel" de la mécanique quantique. Ils utilisent un puits de potentiel pour illustrer la liaison dans une molécule conventionnelle. Les atomes ne peuvent pas s'éloigner plus les uns des autres que les "parois" de ce puits. Cependant, en mécanique quantique, les atomes peuvent creuser un tunnel dans les murs. "C'est comme si deux personnes creusaient chacune un tunnel de leur côté sans issue", explique le professeur Reinhard Dörner de l'Institut de physique nucléaire de l'Université Goethe de Francfort.

Le groupe de recherche de Dörner a produit cette molécule d'hélium en laboratoire et l'a étudiée à l'aide du microscope à réaction COLTRIMS développé à l'Université. Les chercheurs ont pu déterminer la force de la liaison avec un niveau de précision jamais atteint auparavant et ont mesuré la distance entre les deux atomes de la molécule. "La molécule d'hélium est en quelque sorte une pierre de touche pour les théories de la mécanique quantique, car la valeur de l'énergie de liaison théoriquement prédite dépend fortement de la précision avec laquelle tous les effets physiques et quantiques ont été pris en compte", explique Dörner.

Même la théorie de la relativité, qui est par ailleurs principalement requis pour les calculs astronomiques, devait être incorporé ici. "Si même une petite erreur se produit, les calculs produisent des écarts importants ou même indiquent qu'une molécule d'hélium ne peut pas du tout exister", dit Dorner. Les mesures de précision effectuées par son groupe de recherche serviront de référence pour les futures expériences.

Deux ans passés à prendre des mesures en cave

Le groupe de recherche de Dörner a commencé à étudier la molécule d'hélium en 2009, lorsque la Fondation allemande pour la recherche lui a attribué un projet Reinhart Koselleck et un financement à hauteur de 1,25 million d'euros. « Ce type de financement est du capital-risque, comme c'était, avec laquelle la Fondation allemande pour la recherche soutient des expériences à long terme", explique Dörner. Il a ainsi pu concevoir et mettre en place les premières expériences avec son groupe. Les premiers résultats ont été obtenus par le Dr Jörg Voigtsberger dans le cadre de sa thèse de doctorat. "À la recherche d'atomes qui 'vivent dans le tunnel', Jörg Voigtsberger a passé deux ans de sa vie à la cave", se souvient le Dr Till Jahnke, maître de conférences et superviseur de Voigtberger à l'époque. C'est là, dans la cave, que se trouve le laboratoire laser du groupe de physique atomique.

Stefan Zeller, le prochain doctorant, considérablement amélioré l'équipement avec l'aide du Dr Maksim Kunitski et accru encore la précision des mesures. Faire cela, l'une de ses tâches était de tirer sur la molécule d'hélium très faiblement liée avec FLASH, le laser à électrons libres du centre de recherche DESY à Hambourg et le plus grand « canon à photons » d'Allemagne. "Le travail de Stefan Zeller était remarquable. C'était son effort infatigable, ses excellentes compétences en recherche expérimentale et sa capacité à ne pas se laisser décourager par les revers temporaires qui ont rendu notre succès possible", remarque le professeur Dörner, directeur de thèse de Zeller.

Déjà auparavant, les résultats ont suscité un intérêt considérable au niveau national et international. Ils apparaîtront désormais dans la célèbre revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) et font également partie des travaux de recherche pour lesquels le groupe a reçu le prix Helmholtz 2016.