Зептосекунды — новый мировой рекорд в измерениях времени

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».

Zeptosecond Birth Time Delay in Molecular Photoionization, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb9318