"Quando due solitari sono costretti a condividere un letto, si muovono ben oltre i suoi bordi per allontanarsi l'uno dall'altro." Credito:Peter Evers
Gli atomi di elio sono solitari. Solo se vengono raffreddati a una temperatura estremamente bassa formano una molecola legata molto debolmente. Così facendo, possono mantenere una distanza enorme l'uno dall'altro grazie all'effetto tunnel quanto-meccanico. Come i fisici atomici di Francoforte sono stati ora in grado di confermare, oltre il 75% delle volte sono così distanti che il loro legame può essere spiegato solo dall'effetto tunnel quanto-meccanico.
L'energia di legame nella molecola di elio ammonta solo a circa un miliardesimo dell'energia di legame nelle molecole quotidiane come l'ossigeno o l'azoto. Inoltre, la molecola è così grande che piccoli virus o particelle di fuliggine potrebbero volare tra gli atomi. Questo è dovuto, i fisici spiegano all'"effetto tunnel" quantomeccanico. Usano un potenziale pozzo per illustrare il legame in una molecola convenzionale. Gli atomi non possono allontanarsi l'uno dall'altro più delle "pareti" di questo pozzo. Però, nella meccanica quantistica gli atomi possono scavare nelle pareti. "È come se due persone scavassero ciascuna un tunnel dalla propria parte senza uscita", spiega il professor Reinhard Dörner dell'Istituto di fisica nucleare della Goethe University di Francoforte.
Il gruppo di ricerca di Dörner ha prodotto questa molecola di elio in laboratorio e l'ha studiata con l'aiuto del microscopio a reazione COLTRIMS sviluppato presso l'Università. I ricercatori sono stati in grado di determinare la forza del legame con un livello di precisione mai raggiunto in precedenza e hanno misurato la distanza tra i due atomi nella molecola. "La molecola di elio è una specie di pietra di paragone per le teorie quantomeccaniche, poiché il valore dell'energia di legame teoricamente previsto dipende fortemente dalla precisione con cui sono stati presi in considerazione tutti gli effetti fisici e quanto-meccanici", spiega Dorner.
Anche la teoria della relatività, che altrimenti è principalmente richiesto per i calcoli astronomici, doveva essere incorporato qui. "Se si verifica anche solo un piccolo errore, i calcoli producono deviazioni importanti o addirittura indicano che una molecola di elio non può esistere affatto", dice Dorner. Le misurazioni di precisione eseguite dal suo gruppo di ricerca serviranno come punto di riferimento per esperimenti futuri.
Configurazione sperimentale:Le molecole di elio sono prodotte in un getto di gas a una temperatura estremamente bassa e separate dal resto del getto di gas in un reticolo di diffrazione. Il flash a raggi X (rosso) del laser FLASH (Amburgo) ionizza entrambi gli atomi di elio della molecola in modo che si dividano con forza esplosiva. Gli ioni vengono quindi mappati su un rivelatore a risoluzione spaziale, come simboleggiato dalla striscia di pellicola. Credito:AG Dörner
Due anni passati a fare misurazioni in cantina
Il gruppo di ricerca di Dörner ha iniziato a studiare la molecola di elio nel 2009, quando la Fondazione tedesca per la ricerca gli ha assegnato un progetto Reinhart Koselleck e un finanziamento di 1,25 milioni di euro. "Questo tipo di finanziamento è il capitale di rischio, com'era, con cui la Fondazione tedesca per la ricerca sostiene esperimenti a lungo termine", spiega Dorner. Ha così potuto progettare e realizzare i primi esperimenti con il suo gruppo. I primi risultati sono stati raggiunti dal Dr. Jörg Voigtsberger nell'ambito della sua tesi di dottorato. "Nella ricerca di atomi che 'vivano nel tunnel', Jörg Voigtsberger ha trascorso due anni della sua vita in cantina", ricorda il dottor Till Jahnke, docente senior e supervisore di Voigtberger all'epoca. È qui, in cantina, che è ospitato il laboratorio laser del gruppo di fisica atomica.
Stefan Zeller, il prossimo dottore di ricerca, ha notevolmente migliorato l'attrezzatura con l'aiuto del Dr. Maksim Kunitski e ha aumentato ulteriormente la precisione di misurazione. Fare così, uno dei suoi compiti era sparare alla molecola di elio molto debole con FLASH, il laser a elettroni liberi presso il centro di ricerca DESY di Amburgo e il più grande "canone fotonico" in Germania. "Il lavoro di Stefan Zeller è stato notevole. È stato il suo instancabile sforzo, le sue ottime capacità di ricerca sperimentale e la sua capacità di non lasciarsi scoraggiare da temporanei contrattempi che hanno reso possibile il nostro successo", osserva il professor Dörner, Supervisore del dottorato di Zeller.
Già in precedenza i risultati hanno suscitato notevole interesse a livello nazionale e internazionale. Ora appariranno sulla rinomata rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) e fanno anche parte del lavoro di ricerca per il quale il gruppo è stato insignito del Premio Helmholtz 2016.
