Физики измерили самый короткий промежуток времени

Немецкие ученые впервые измерили, сколько времени требуется фотону, чтобы пересечь молекулу водорода. Это самый короткий промежуток времени, который был успешно измерен на сегодняшний день. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

В 1999 году египетский химик Ахмед Зеваил получил Нобелевскую премию за измерение скорости, с которой молекулы меняют свою форму. Для оценки скорости образования и разрывов химических связей он использовал ультракороткие лазерные вспышки в фемтосекундном диапазоне — 10-15 секунд.

Интерференционная картина прохождения фотона (желтый) сквозь молекулу водорода (ядра двух атомов обозначены красным)
 

Физики-атомщики из Германии под руководством профессора Рейнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) из Университета Гете во Франкфурте впервые изучили процесс распространение света в молекуле, который по времени короче фемтосекунд.

Исследователи облучали молекулу водорода Н2 лучами рентгеновского лазера PETRA III на ускорительной установке DESY в Гамбурге. Они установили энергию рентгеновских лучей на таком уровне, 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.

После прохода фотона сквозь молекулу интерференционная картина волн слегка сместилась, что позволило ученым рассчитать, сколько времени требуется фотону, чтобы пройти от одного атома водорода до другого — 247 зептосекунд, 10-21 секунд. Никогда ранее физикам еще не удавалось измерить длительность столько коротких событий.

Ученые сравнивают фотон с плоским камешком, который запускают по поверхности воды. Дважды касаясь поверхности, он вызывает образование сначала одной, а затем второй волны, которые, расходясь, начинают накладываться одна на другую.

Авторы измерили интерференционный сдвиг первого электрона с помощью разработанного в Университете Гете реакционного микроскопа COLTRIMS, который делает видимыми сверхбыстрые реакции в атомах и молекулах.

Одновременно с интерференционной картиной микроскоп позволил определить ориентацию молекулы водорода, благодаря тому, что оставшиеся без электронов ядра водорода разлетелись в стороны и их обнаружили.

"Зная пространственную ориентацию молекулы водорода, мы использовали интерференцию двух электронных волн, чтобы точно рассчитать, когда фотон достиг первого и второго атома водорода", — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора статьи Свена Грундманна (Sven Grundmann).

"Мы впервые заметили, что электронная оболочка в молекуле не реагирует на свет одновременно и повсюду. Из-за того, что информация внутри молекулы распространяется со скоростью света, происходит задержка по времени", — добавляет Дёрнер.

Ученые планируют в будущем расширить технологию COLTRIMS и использовать ее для изучения других сверхкоротких событий на молекулярном уровне.