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SpanishZeptosekunden. Wissenschaftler haben die kürzeste Zeitspanne in der Geschichte gemessen
Ein Team von deutschen Wissenschaftlern hat den Durchgang von Photonen durch das Wasserstoffmolekül gemessen. Dies ist die bisher kürzeste Messung eines Zeitabschnitts und wird in Zeptosekunden oder Billionen von Sekunden ausgedrückt.Physiker der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts in Berlin und des DESY in Hamburg gemessen, wie lange ein Photon braucht, um ein Wasserstoffteilchen zu durchqueren. Das von ihnen erhaltene Ergebnis beträgt 247 Zeptosekunden für die durchschnittliche Bindungslänge des Teilchens. Dies ist die kürzeste Zeitspanne, die bisher gemessen wurde.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift "Science" ausführlich beschrieben. (https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb9318)
Bild Quelle: "https://aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/physics-zeptoseconds-new-world-record-in-short-time-measurement/"
Die Zeit
In seiner 1999 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit maß der ägyptische Chemiker Ahmed Zewail die Geschwindigkeit, mit der Partikel ihre Form verändern. Mit ultrakurzen Laserblitzen stellte er fest, dass die Bildung und das Aufbrechen chemischer Bindungen im Femtosekundenbereich stattfindet. Eine Femtosekunde entspricht einem Milliardstel einer Sekunde (0,0000000000000000001 Sekunde, 10E-15 Sekunden).
Aber deutsche Physiker haben einen Prozess untersucht, der viel kürzer als die Femtosekunde ist. Sie haben gemessen, wie lange ein Photon braucht, um ein Wasserstoffmolekül zu durchdringen. Die Messungen zeigten, dass die Photonenreise für die durchschnittliche Teilchenbindungslänge 247 Zeptosekunden dauert, und eine Zeptosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde (0,00000000000000000000001 Sekunde, 10E-21).
Die erste Aufzeichnung eines Phänomens von so kurzer Dauer fand 2016 statt. Damals fingen die Wissenschaftler das aus den Bindungen des ursprünglichen Heliumatoms freigesetzte Elektron ein. Sie schätzten, dass diese Schlinge 850 Zeptosekunden dauerte. Die Ergebnisse dieser Messungen erschienen in der Zeitschrift "Nature Physics".
Zeptosekunden
Um diese extrem kurze Photonenreise durch das Wasserstoff (H2)-Molekül zu messen, nahmen der Physiker Reinhard Dörner von der Johann Wolfgang Goethe-Universität und seine Kollegen Röntgenstrahlen am Beschleuniger PETRA III bei DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg auf. Die Wissenschaftler stellten die Röntgenenergie so ein, dass ein einziges Photon beide Elektronen aus dem Wasserstoffteilchen herausschlug. Das erste wurde herausgeschleudert und es entstand eine Welle, zu der sich nach extrem kurzer Zeit eine Welle des zweiten Elektrons gesellte. Das Photon verhielt sich wie ein flacher Kieselstein, der von der Wasseroberfläche abprallt und in diesem Fall zweimal auf Wellen springt.
Die Wissenschaftler maßen das Interferenzmuster des ersten ausgestoßenen Elektrons mit dem COLTRIMS-Tool (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), einer Kamera, die ultraschnelle Prozesse in Atomen und Teilchen zeigt. Gleichzeitig mit dem Interferenzbild konnte mit dem COLTRIMS-Gerät die Position des Wasserstoffmoleküls während der Interaktion bestimmt werden.
- Da wir die räumliche Orientierung des Wasserstoffmoleküls kannten, haben wir die Interferenz zweier Elektronenwellen genutzt, um genau zu berechnen, wann das Photon das erste und wann das zweite Wasserstoffatom erreicht hat", sagt Sven Grundmann von der Universität Rostock, Deutschland, Mitautor der Studie.
Es dauerte 247 Zeptosekunden, bis das Photon zwischen den Atomen hindurchging. - Zum ersten Mal haben wir beobachtet, dass Elektronen in einem Molekül nicht immer gleichzeitig auf Licht reagieren. Die Verzögerung entsteht, weil sich die Information im Molekül nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet", erklärt Dörner.