Quiconque entre dans le monde de la physique quantique doit se préparer à un certain nombre de choses inconnues dans le monde de tous les jours :les gaz nobles forment des composés, les atomes se comportent à la fois comme des particules et des ondes et des événements qui, dans le monde macroscopique, s'excluent mutuellement se produisent simultanément.

Dans le monde de la physique quantique, Reinhard Dörner et son équipe travaillent avec des molécules qui, au sens de la plupart des manuels, ne devraient pas exister :des composés d'hélium à deux atomes, connus sous le nom de dimères d'hélium. L'hélium est appelé gaz noble précisément parce qu'il ne forme aucun composé. Cependant, si le gaz est refroidi à seulement 10 degrés au-dessus du zéro absolu (moins 273 °C) puis pompé à travers une petite buse dans une chambre à vide, ce qui le rend encore plus froid, puis, très rarement, de tels dimères d'hélium se forment. Ce sont sans aucun doute les molécules stables liées les plus faibles de l'Univers, et les deux atomes de la molécule sont en conséquence extrêmement éloignés l'un de l'autre. Alors qu'un composé chimique de deux atomes mesure généralement environ 1 angström (0,1 nanomètre), les dimères d'hélium en mesurent en moyenne 50 fois plus, c'est-à-dire 52 angströms.

Les scientifiques de Francfort ont irradié ces dimères d'hélium avec un flash laser extrêmement puissant, qui a légèrement tordu la liaison entre les deux atomes d'hélium. C'était suffisant pour que les deux atomes s'envolent. Ils ont alors vu - pour la toute première fois - l'atome d'hélium s'envoler comme une vague et l'ont enregistré sur un film.

Selon la physique quantique, les objets se comportent comme une particule et une onde en même temps, quelque chose qui est mieux connu des particules lumineuses (photons), qui d'une part se superposent comme des vagues où elles peuvent s'entasser ou s'éteindre (interférence), mais d'autre part, comme le « vent solaire » peut propulser des engins spatiaux via leurs voiles solaires, par exemple.

Le fait que les chercheurs aient pu observer et filmer l'atome d'hélium s'envoler comme une onde dans leur expérience laser était dû au fait que l'atome d'hélium ne s'est envolé qu'avec une certaine probabilité :avec une probabilité de 98 %, il était toujours lié à son deuxième partenaire hélium, avec 2% de probabilité, il s'est envolé. Ces deux ondes d'atomes d'hélium—Voilà, physique quantique ! — superposer, et leur interférence pourrait être mesurée.

La mesure de ces « ondes quantiques » peut être étendue à des systèmes quantiques avec plusieurs partenaires, comme le trimère d'hélium composé de trois atomes d'hélium. Le trimère d'hélium est intéressant car il peut former ce que l'on appelle un "état d'Efimov exotique, " dit Maksim Kunitski, premier auteur de l'étude :"De tels systèmes à trois particules ont été prédits par le théoricien russe Vitaly Efimov en 1970 et corroborés pour la première fois sur des atomes de césium. Il y a cinq ans, nous avons découvert l'état d'Efimov dans le trimère d'hélium. La méthode d'irradiation par impulsion laser que nous avons maintenant développée pourrait nous permettre à l'avenir d'observer la formation et la désintégration des systèmes Efimov et ainsi de mieux comprendre les systèmes physiques quantiques qui sont difficiles d'accès expérimentalement.