Jak měřit v zeptosekundách? Kredit: Sven Grundmann / Goethe University Frankfurt.

Egyptský chemik Ahmed Zewail dostal v roce 1999 Nobelovu cenu za změření rychlosti změny tvaru molekul. Založil úplně nový obor femtochemie, která pracuje s ultrakrátkými laserovými paprsky. S jejich pomocí je možné měřit femtosekundové časy potřebné k vytvoření anebo rozbití chemické vazby.

Teď se píše rok 2020 a tým fyziků, který vedl Reinhard Dörner z německé Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt se pustil mnohem hlouběji pod femtosekundy. Ve své průlomové studii změřili dobu, kterou potřebuje foton, aby proletěl vzdálenost odpovídající molekule vodíku. Trvá to až 247 zeptosekund, tj. 247 triliardtin (10^-21) sekundy. Jde o nejkratší čas, co jsme kdy spolehlivě naměřili.

Reinhard Dörner. Kredit: / Goethe University Frankfurt.

Jak takový experiment vypadal? Použili k tomu molekuly vodíku H₂, které ozařovali rentgenovými paprsky z rentgenového laserového zdroje PETRA III v německém výzkumném zařízení DESY v Hamburku. Nastavili přitom energii rentgenové záření tak, aby jeden rentgenový foton „vykopl“ z molekuly vodíky oba dva elektrony, které molekula za normálních okolností obsahuje.

Goethe-Universität Frankfurt, logo.

Elektrony se chovají jako částice i jako vlny. A foton se v tomto případě chová jako placák hozený na hladinu. Výsledkem je specifická interference, kterou je možné analyzovat. Dörnerův tým k tomu použil speciální zařízení (COLTRIMS reaction microscope), které dovede vizualizovat ultrarychlé procesy v atomech a molekulách. COLTRIMS také určí, jak je dotyčná molekula vodíku orientovaná.

Když badatelé znali orientaci studované molekuly vodíku, tak mohli z uspořádání interference vyvolané rentgenovým fotonem přesně odvodit, kdy foton „nakopl“ první elektron molekuly a kdy druhý elektron. Výsledkem je, že to trvá až 247 zeptosekund, podle orientace molekuly vůči přilétajícímu fotonu. Dörner k tomu dodává, že vlastně jako první pozorovali, jak elektronová obálka nereaguje na světelný paprsek celá v jediný okamžik. Nepatrná časová prodleva je způsobena tím, že se informace po molekule nemůže šířit rychleji než rychlostí světla.

Video: Reinhard Dörner - 2019 Schawlow-Townes Symposium

Literatura

Goethe-Universität Frankfurt 16. 10. 2020.

Science 370: 339 –341.