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.
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
