Verbindung auf Rekorddistanz

Helium-Atome sind Einzelgänger. Nur wenn man sie stark abkühlt, bilden sie ein sehr schwach gebundenes Molekül. Dank des quanten­mechanischen Tunnel­effekts können sie dabei einen extrem großen Abstand voneinander halten. Wie Atomphysiker der Goethe-Universität jetzt bestätigen konnten, sind sie über 75 Prozent der Zeit so weit voneinander entfernt, dass ihre Bindung sich nur noch durch den Tunnel­effekt erklären lässt.

Die Bindungsenergie im Helium-Molekül beträgt nur etwa ein Milliardstel der Bindungs­energie alltäglicher Moleküle wie Sauerstoff oder Stickstoff. Das Molekül ist außerdem so riesen­groß, dass kleine Viren oder Rußpartikel zwischen den Atomen hindurch fliegen könnten. Der Grund hierfür liegt im Tunnel­effekt. In der Quanten­mechanik dürfen die Atome auch in die Wände einer Potenzial­wand hinein tunneln. „Das ist, wie wenn jeder auf seiner Seite einen Stollen ohne Ausgang gräbt“, erklärt Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik an der Goethe-Universität.

Die Arbeitsgruppe von Dörner hat diese Helium-Moleküle in einem Experiment hergestellt und mithilfe des an der Goethe-Universität entwickelten COLTRIMS-Reaktions­mikroskops untersucht. Hierbei hat sie die Stärke der Bindung mit bislang unerreichter Präzision ermittelt und den Abstand der beiden Atome im Molekül vermessen. „Das Helium-Molekül stellt so etwas wie einen Prüfstein für quanten­mechanische Theorien dar, denn der theoretisch vorhergesagte Wert der Bindungs­energie hängt empfindlich davon ab, wie gut alle physikalischen und quanten­mechanischen Effekte berücksichtigt wurden“, erklärt Dörner.

Selbst die Relativitätstheorie, die sonst hauptsächlich für astronomische Berechnungen benötigt wird, müsse hier einbezogen werden. „Unterläuft ein kleiner Fehler, so ergeben die Rechnungen große Abweichungen oder besagen gar, dass ein Helium-Molekül überhaupt nicht existieren kann“, so Dörner. Die von seiner Gruppe durchgeführten Präzisions­messungen werden als Vergleichswert für zukünftige Experimente dienen.

Mit der Untersuchung des Helium-Moleküls begann die Arbeits­gruppe von Dörner bereits 2009, als die Deutsche Forschungs­gemeinschaft (DFG) ihm ein mit 1,25 Millionen Euro dotiertes Koselleck-Projekt bewilligte. „Eine Förderung dieser Art entspricht quasi einem Risikokapital, mit dem die DFG Experiment­reihen unterstützt, die einen langen Atem brauchen“, erklärt der Atomphysiker. So konnte er mit seiner Gruppe die ersten Experimente entwerfen und aufbauen. Erste Ergebnisse erzielte Jörg Voigts­berger im Rahmen seiner Doktorarbeit. „Auf der Suche nach Atomen, die ‚im Tunnel leben‘, verbrachte Jörg Voigts­berger zwei Jahres seines Lebens im Keller“, erinnert sich Privatdozent Till Jahnke, der damalige Betreuer. Dort, im Keller, befindet sich das Laserlabor der Frankfurter Atomphysikgruppe.

Stefan Zeller, der nächste Doktorand, konnte die damalige Apparatur mit Hilfe von Maksim Kunitski nochmals entscheidend verbessern und die Mess­genauigkeit weiter erhöhen. Dazu musste er unter anderem mit der größten Photonen­kanone, die es in Deutschland gibt, dem Freie-Elektronen-Laser FLASH am Forschungs­zentrum DESY in Hamburg, auf die extrem schwach gebundenen Helium-Moleküle schießen. „Stefan Zeller hat Beeindruckendes geleistet. Seine unermüdliche Arbeit, sein großes experimentelles Geschick und seine Fähigkeit, sich von temporären Rückschlägen nicht entmutigen zu lassen, haben diesen Erfolg überhaupt erst möglich gemacht“, kommentiert Zellers Doktorvater Dörner.

U. Frankfurt / DE