Зептосекунды – новый мировой рекорд в измерениях времени

17.10.2020 Автор: ab-news

Фотон (желтый, идущий слева) производит электронные волны из электронного облака (серый цвет) молекулы водорода (красный: ядро), которые интерферируют друг с другом (интерференционная картина: фиолетово-белый). Картина интерференции слегка смещена вправо, что позволяет рассчитать, сколько времени требуется фотону, чтобы пройти от одного атома к другому. © Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt

В 1999 году египетский химик Ахмед Зевейл получил Нобелевскую премию за измерение скорости, с которой молекулы меняют свою форму. Он основал фемтохимию, используя ультракороткие лазерные вспышки: образование и разрыв химических связей происходит в диапазоне фемтосекунд.

Теперь физики из Университета Гете в команде профессора Рейнхарда Дёрнера впервые изучили процесс, который по величине короче фемтосекунд.

Они измерили, сколько времени требуется фотону, чтобы пересечь молекулу водорода: около 247 зептосекунд для средней длины связи в молекуле. Это самый короткий промежуток времени, который был успешно измерен на сегодняшний день (одна зептосекунда равна 10−21 с).

Ученые провели измерение времени на молекуле водорода (H2), которую они облучали рентгеновскими лучами от источника рентгеновского лазера PETRA III на ускорительной установке DESY в Гамбурге.

Исследователи установили энергию рентгеновских лучей так, чтобы одного фотона было достаточно для выброса обоих электронов из молекулы водорода.

Электроны ведут себя как частицы и волны одновременно, и поэтому выброс первого электрона привел к запуску электронных волн сначала в одном, а затем во втором атоме молекулы водорода в быстрой последовательности, при этом волны сливаются.

Фотон вел себя здесь очень похоже на плоский камешек, который дважды скользит по воде: когда впадина волны встречается с гребнем волны, волны первого и второго контакта с водой нейтрализуют друг друга, что приводит к так называемой интерференционной картине.

Ученые измерили интерференционную картину первого выброшенного электрона с помощью микроскопа COLTRIMS, прибора, который помог разработать Дёрнер и который делает видимыми сверхбыстрые процессы реакции в атомах и молекулах.

Одновременно с интерференционной картиной микроскоп COLTRIMS также позволил определить ориентацию молекулы водорода. Здесь исследователи воспользовались тем фактом, что второй электрон также покинул молекулу водорода, так что оставшиеся ядра водорода разлетелись и были обнаружены.

«Поскольку мы знали пространственную ориентацию молекулы водорода, мы использовали интерференцию двух электронных волн, чтобы точно рассчитать, когда фотон достиг первого и второго атома водорода», – объясняют ученые. «И это до 247 зептосекунд, в зависимости от того, насколько далеко в молекуле находились два атома с точки зрения частицы».

Профессор Райнхард Дёрнер добавляет: «Мы впервые заметили, что электронная оболочка в молекуле не реагирует на свет одновременно и повсюду. Задержка по времени происходит потому, что информация внутри молекулы распространяется только со скоростью света. Мы расширим нашу технологию COLTRIMS на другие приложения».