Любой, кто входит в мир квантовой физики, должен подготовиться к довольно многим вещам, неизвестным в повседневном мире: благородные газы образуют соединения, атомы одновременно ведут себя как частицы и волны, а события, исключающие друг друга в макроскопическом мире, происходят одновременно.
В мире квантовой физики Райнхард Дёрнер и его команда работают с молекулами, которые — в смысле большинства учебников — не должны существовать: соединения гелия с двумя атомами, известные как димеры гелия. Гелий называют благородным газом именно потому, что он не образует никаких соединений. Однако, если газ охладить до 10 градусов выше абсолютного нуля (минус 273 C), а затем перекачать через небольшое сопло в вакуумную камеру, что сделает его еще холоднее, то — очень редко — такие димеры гелия образуются. Это беспрецедентно самые слабосвязанные стабильные молекулы во Вселенной, и два атома в молекуле соответственно находятся чрезвычайно далеко друг от друга. В то время как химическое соединение двух атомов обычно имеет размер около 1 ангстрема (0,1 нанометра), димеры гелия в среднем имеют размер в 50 раз больше, то есть 52 ангстрем.
Ученые во Франкфурте облучали такие димеры гелия чрезвычайно мощной лазерной вспышкой, которая слегка исказила связь между двумя атомами гелия. Этого было достаточно, чтобы два атома распались. Затем они впервые увидели, как атом гелия улетает в виде волны, и записали это на пленку.
Согласно квантовой физике, объекты одновременно ведут себя как частица и волна, что лучше всего известно по легким частицам (фотонам).
То, что исследователи смогли наблюдать и заснять атом гелия, улетавший как волна, в их лазерном эксперименте, было связано с тем фактом, что атом гелия улетал только с определенной вероятностью: с вероятностью 98 процентов он все еще был связан со второй гелиевой частицей, а с вероятностью 2% — улетел. Эти две волны атома гелия — вот оно! Квантовая физика! — накладываются друг на друга, и их интерференция может быть измерена.
Измерение таких «квантовых волн» может быть распространено на квантовые системы с несколькими партнерами, такими как тример гелия, состоящий из трех атомов гелия. Тример гелия интересен тем, что он может образовывать так называемое «экзотическое состояние Ефимова», — говорит Максим Куницкий, первый автор исследования: «Такие трехчастичные системы были предсказаны российским теоретиком Виталием Ефимовым в 1970 году и впервые подтвердились на атомы цезия. Пять лет назад мы открыли состояние Ефимова в тримере гелия. Разработанный нами метод облучения лазерным импульсом может позволить нам в будущем наблюдать образование и распад ефимовских систем и, таким образом, лучше понимать квантовые физические системы, которые трудно получить экспериментальным путем».
