19.10.2020

Neuer Weltrekord bei Kurzzeit-Messungen

Licht benötigt 247 Zeptosekunden zur Durchquerung eines Wasserstoffmoleküls.

Forscher der Goethe-Universität Frankfurt, des Beschleuniger­zentrums DESY in Hamburg und des Fritz-Haber-Instituts in Berlin haben erstmals einen Vorgang vermessen, der im Bereich von Zepto­sekunden liegt: Sie maßen, wie lange es dauert, bis ein Photon ein Wasser­stoff­molekül durchquert hat. Das Ergebnis: Es dauert etwa 247 Zepto­sekunden bei der durch­schnitt­lichen Bindungs­länge des Moleküls. Das ist die kürzeste Zeit­spanne, die bisher gemessen werden konnte. Die Zeit­messung nahmen die Wissen­schaftler an Wasser­stoff-Molekülen vor, die sie mit Röntgen­licht der Röntgen­strahlungs­quelle PETRA III am DESY bestrahlten. Die Energie der Röntgen­strahlen stellten die Forscher so ein, dass ein Photon genügte, um beide Elektronen kurz hinter­ein­ander aus dem Wasser­stoff-Molekül heraus­zu­schlagen.

Abb.: Zeptosekunden Messung: Das Photon (gelb, von links kommend) erzeugt aus...
Abb.: Zeptosekunden Messung: Das Photon (gelb, von links kommend) erzeugt aus der Elektronen­wolke (grau) des Wasser­stoff­moleküls (rot: Atom­kerne) heraus Elektronen­wellen, die inter­ferieren (Inter­ferenz­muster: violett-weiß). Das Inter­ferenz­muster ist ein wenig nach rechts ver­zerrt, woraus sich aus­rechnen lässt, wie lange das Photon von einem Atom zum anderen benötigt hat. (Bild: S. Grund­mann, GUF)

Beim Herausschlagen des ersten Elektrons entstanden kurz hinter­ein­ander erst bei dem einen und dann bei dem zweiten Atom des Wasser­stoff­moleküle Elektronen­wellen, die sich über­lagerten. Dabei entsteht ein Inter­ferenz­muster. Das Inter­ferenz­muster des ersten heraus­ge­schlagenen Elektrons vermaßen die Wissen­schaftler mit dem COLTRIMS-Reaktions­mikroskop, das ultra­schnelle Reaktions­prozesse von Atomen und Molekülen sichtbar machen kann. Gleich­zeitig mit dem Inter­ferenz­muster konnte mit dem COLTRIMS-Reaktions­mikroskop bestimmt werden, in welcher Orientierung sich das Wasserstoff­molekül befunden hatte. Hier machten es sich die Forscher zunutze, dass das zweite Elektron ebenfalls das Wasser­stoff­molekül verließ und so die verbliebenen Wasser­stoff­kerne aus­ein­ander­flogen und detektiert werden konnten.

„Da wir die räumliche Orientierung des Wasser­stoff­moleküls kannten, konnten wir aus der Inter­ferenz der beiden Elektronen­wellen sehr genau errechnen, wann das Photon das erste und wann es das zweite Wasser­stoff­atom erreicht hatte“, erklärt Sven Grund­mann von der Uni Frank­furt. „Und das sind bis zu 247 Zepto­sekunden, je nachdem, wie weit die beiden Atome im Molekül gerade aus Sicht des Lichts von­ein­ander entfernt waren.“

„Was wir jetzt erstmals beobachten konnten ist, dass die Elektronen­hülle in einem Molekül nicht überall gleich­zeitig auf Licht reagiert“, erläutert Reinhard Dörner von der Uni Frankfurt. „Die Zeit­ver­zögerung kommt dadurch zustande, dass sich die Information im Moleküle eben nur mit Licht­ge­schwin­dig­keit aus­breitet. Damit haben wir unsere COLTRIMS-Techno­logie um eine weitere Anwendung erweitert.“

GUF / RK

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