Dodano: 19 październik 2020r.

Zeptosekundy. Naukowcy dokonali najkrótszego w historii pomiaru odcinka czasu

Zespół niemieckich naukowców dokonał pomiarów przejścia fotonu przez cząsteczkę wodoru. To najkrótszy w historii pomiar odcinka czasu i jest on wyrażany w zeptosekundach, czyli tryliardowych częściach sekundy.

Zeptosekundy. Naukowcy dokonali najkrótszego w historii pomiaru odcinka czasu

 

Fizycy z Uniwersytetu Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie we współpracy z uczonymi z Instytutu Fritza Habera w Berlinie oraz z DESY w Hamburgu zmierzyli, ile czasu zajmuje fotonowi przejście przez cząsteczkę wodoru. Uzyskany przez nich wynik to 247 zeptosekund dla średniej długości wiązania cząsteczki. To najkrótszy odcinek czasu, jaki do tej pory został zmierzony.

Wyniki badań zostały szczegółowo opisane w czasopiśmie „Science”.

Czas

W pracy nagrodzonej Noblem z 1999 roku egipski chemik Ahmed Zewail zmierzył prędkość, z jaką cząsteczki zmieniają swój kształt. Korzystając z ultrakrótkich błysków laserowych ustalił, że tworzenie i zrywanie wiązań chemicznych zachodzi w sferze femtosekund. Jedna femtosekunda jest równa jednej biliardowej części sekundy (0,000000000000001 sekundy, 10-15 s).

Ale niemieccy fizycy zbadali proces, który jest znacznie krótszy od femtosekundy. Zmierzyli, ile czasu zajmuje fotonowi przejście przez molekułę wodoru. Pomiary wykazały, że podróż fotonu zajmuje 247 zeptosekund dla średniej długości wiązania cząsteczki, a jedna zeptosekunda to tryliardowa część sekundy (0,000000000000000000001 sekundy, 10-21).

Pierwsza rejestracja tak krótko trwających zjawisk miała miejsce w 2016 roku. Naukowcy przyłapali wówczas elektron uwalniający się z wiązań macierzystego atomu helu. Ocenili, że proce ten trwał 850 zeptosekund. Wyniki tych pomiarów ukazały się na łamach pisma „Nature Physics”.

Zeptosekundy

Aby zmierzyć tę niezwykle krótką podróż fotonu przez cząsteczkę wodoru (H2) fizyk Reinhard Dörner z Uniwersytetu Johanna Wolfganga Goethego i jego koledzy wykonali zdjęcia rentgenowskie w akceleratorze PETRA III znajdującym się w DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Niemiecki Synchrotron Elektronowy) w Hamburgu. Naukowcy tak ustawili energię promieni rentgenowskich, że pojedynczy foton wybił oba elektrony z cząsteczki wodoru. Wyrzucenie pierwszego z nich spowodowało pojawienie się fali, do której po niezwykle krótkiej chwili dołączyła fala z drugiego elektronu. Foton przy tym zachowywał się jak płaski kamyk odbijający się od powierzchni wody, w tym przypadku dwukrotnie skacząc po falach.

Naukowcy zmierzyli wzór interferencyjny pierwszego wyrzuconego elektronu za pomocą narzędzia COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), aparatu, który uwidacznia ultraszybkie procesy w atomach i cząsteczkach. Równocześnie z obrazem interferencyjnym aparat COLTRIMS umożliwił też określenie położenia cząsteczki wodoru podczas interakcji.

- Ponieważ znaliśmy przestrzenną orientację cząsteczki wodoru, wykorzystaliśmy interferencję dwóch fal elektronowych, aby precyzyjnie obliczyć, kiedy foton dotarł do pierwszego, a kiedy do drugiego atomu wodoru - powiedział Sven Grundmann z Uniwersytetu w Rostocku w Niemczech, współautor badań.

Przejście między atomami zajęło fotonowi 247 zeptosekund. - Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy, że elektrony w cząsteczce nie zawsze reaguje na światło w tym samym czasie. Opóźnienie występuje, ponieważ informacja w cząsteczce rozprzestrzenia się tylko z prędkością światła – wyjaśnił Dörner.

 

Źródło: Uniwersytet Johanna Wolfganga Goethego, fot. Sven Grundmann