"Cuando dos solitarios se ven obligados a compartir la cama, se mueven mucho más allá de sus límites para alejarse unos de otros ". Crédito:Peter Evers
Los átomos de helio son solitarios. Solo si se enfrían a una temperatura extremadamente baja, forman una molécula unida muy débilmente. Al hacerlo, pueden mantener una tremenda distancia entre sí gracias al efecto túnel de la mecánica cuántica. Como han podido confirmar los físicos atómicos de Frankfurt, más del 75 por ciento del tiempo están tan separados que su vínculo sólo puede explicarse por el efecto túnel de la mecánica cuántica.
La energía de unión en la molécula de helio asciende a solo una milmillonésima parte de la energía de unión en moléculas cotidianas como el oxígeno o el nitrógeno. Además, la molécula es tan grande que pequeños virus o partículas de hollín podrían volar entre los átomos. Esto es debido, los físicos explican, al "efecto túnel" de la mecánica cuántica. Utilizan un pozo de potencial para ilustrar el enlace en una molécula convencional. Los átomos no pueden alejarse más entre sí que las "paredes" de este pozo. Sin embargo, en la mecánica cuántica, los átomos pueden penetrar en las paredes. "Es como si dos personas cavaran un túnel en su propio lado sin salida", explica el profesor Reinhard Dörner del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Goethe de Frankfurt.
El grupo de investigación de Dörner ha producido esta molécula de helio en el laboratorio y la ha estudiado con la ayuda del microscopio de reacción COLTRIMS desarrollado en la Universidad. Los investigadores pudieron determinar la fuerza del enlace con un nivel de precisión no alcanzado previamente y midieron la distancia entre los dos átomos en la molécula. "La molécula de helio es una especie de piedra de toque para las teorías de la mecánica cuántica, dado que el valor de la energía de enlace teóricamente predicho depende en gran medida de la precisión con la que se hayan tenido en cuenta todos los efectos físicos y mecánicos cuánticos ", explica Dörner.
Incluso la teoría de la relatividad, que de otro modo se requiere principalmente para cálculos astronómicos, tenía que ser incorporado aquí. "Si se produce un pequeño error, los cálculos producen grandes desviaciones o incluso indican que una molécula de helio no puede existir en absoluto ", dice Dörner. Las medidas de precisión realizadas por su grupo de investigación servirán como punto de referencia para futuros experimentos.
Configuración experimental:las moléculas de helio se producen en un chorro de gas a una temperatura extremadamente baja y se separan del resto del chorro de gas en una rejilla de difracción. El destello de rayos X (rojo) del láser FLASH (Hamburgo) ioniza ambos átomos de helio de la molécula de modo que se separan con una fuerza explosiva. Luego, los iones se mapean en un detector de resolución espacial, simbolizado por la tira de película. Crédito:AG Dörner
Dos años tomando medidas en el sótano.
El grupo de investigación de Dörner comenzó a investigar la molécula de helio en 2009, cuando la Fundación de Investigación Alemana le otorgó un proyecto Reinhart Koselleck y una financiación de 1,25 millones de euros. "Este tipo de financiación es capital de riesgo, como si fuera, con el que la Fundación Alemana de Investigación apoya experimentos con un largo plazo de ejecución ", explica Dörner. Así pudo diseñar y poner en marcha los primeros experimentos con su grupo. Los primeros resultados fueron obtenidos por el Dr. Jörg Voigtsberger en el marco de su tesis doctoral. "En la búsqueda de átomos que 'viven en el túnel', Jörg Voigtsberger pasó dos años de su vida en el sótano ", recuerda el Dr. Till Jahnke, profesor titular y supervisor de Voigtberger en ese momento. Está ahí, en la bodega, que se encuentra el laboratorio de láser del grupo de física atómica.
Stefan Zeller, el próximo investigador doctoral, mejoró considerablemente el equipo con la ayuda del Dr. Maksim Kunitski y aumentó aún más la precisión de medición. Para hacerlo una de sus tareas era disparar a la molécula de helio unida muy débilmente con FLASH, el láser de electrones libres en el centro de investigación DESY en Hamburgo y el "canon de fotones" más grande de Alemania. "El trabajo de Stefan Zeller fue notable. Fue su incansable esfuerzo, sus excelentes dotes de investigación experimental y su capacidad para no desanimarse por contratiempos temporales que hicieron posible nuestro éxito en absoluto ", comenta el profesor Dörner, Supervisor de doctorado de Zeller.
Ya de antemano los resultados han despertado un interés considerable a nivel nacional e internacional. Ahora aparecerán en la reconocida revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) y también forman parte del trabajo de investigación por el que el grupo fue galardonado con el Premio Helmholtz 2016.
