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Rekordzeit beim Quantensprung

Physiker messen erstmals Zeit für Photonen-Ausbreitung in einem Wasserstoffmolekül

Zeitmessung
Wie lange braucht ein Photon (gelb), um durch ein Wasserstoffmolekül zu fliegen? Und wie schnell reagiert die molekulare Elektronenhülle darauf? Das haben Physiker jetzt erstmals gemessen. © Sven Grundmann/ Goethe-Universität Frankfurt

Weltrekord der Zeitmessung: Physiker haben die kürzeste jemals gemessene Zeitspanne erfasst – 247 Zeptosekunden. Diese Zeit benötigt ein Photon, um in einem Wasserstoffmolekül (H2) von einem Atom zum zweiten zu fliegen. Die Messung enthüllte damit auch, dass die Elektronenhülle eines Moleküls verzögert auf die Photoionisation reagiert: Das Photon schlägt die Elektronen des Wasserstoffs nacheinander heraus.

Es ist eine fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie: Wenn energiereiches Licht auf ein Atom oder Molekül trifft, kann es Elektronen auf ein höheres Niveau heben oder sie ganz herauskatapultieren – dann spricht man von einer Photoionisation. Lange galt diese als zu schnell, um ihre Dauer zu messen. Doch dank Lasertechnik haben Forscher inzwischen ermittelt, dass Elektronen leicht verzögert auf das Eintreffen des Photons reagieren und wie lange die Photoionisation bei Wolframatomen dauert. Sogar gefilmt wurde ihr Ablauf schon.

Jetzt ist ein weiterer Schritt gelungen: Forscher um Sven Grundmann von der Goethe-Universität Frankfurt haben erstmals vermessen, wie lange ein Photon für den Weg von einem Ende eines Wasserstoffmoleküls zum anderen benötigt – und wie die Elektronenhülle eines Moleküls auf die Photoionisation durch das Licht reagiert. Denn bisher wurden solche Messungen nur bei Atomen durchgeführt.

Mit Lichtgeschwindigkeit durchs Molekül

Für das Experiment setzten die Physiker molekularen Wasserstoff (H2) einem Strahl hochfokussierter Röntgenphotonen aus. Die Energie war so dosiert, dass ein Photon dieser Strahlung genügte, um beide Elektronen kurz hintereinander aus dem Wasserstoffmolekül herauszuschlagen. Um den zeitlichen Ablauf dieses Prozesses zu verfolgen, nutzten die Forscher das sogenannte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop.

Dieses Instrument detektiert die in der Elektronenhülle entstehenden Wellen und kann anhand des Interferenzmusters die Zeitdauer für den Prozess messen. „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 Grundmann.

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Die kürzeste je gemessene Zeitspanne

Das Ergebnis: Das Röntgenphoton braucht im Schnitt 247 Zeptosekunden, um das Wasserstoffmolekül einmal zu durchqueren. Dies ist die kürzeste Zeitspanne, die je gemessen werden konnte. Eine Zeptosekunde entspricht einem Billionstel einer Milliardstel Sekunde – das sind 10-21 Sekunden. Obwohl das Photon mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, trifft es demnach selbst im kleinen Wasserstoffmolekül nicht beide hintereinander liegenden Atome instantan.

Und auch die Elektronenhülle dieses kleinsten aller Moleküle reagiert zeitlich versetzt: „Was wir jetzt erstmals beobachten konnten ist, dass die Elektronenhülle in einem Molekül nicht überall gleichzeitig auf Licht reagiert“, erklärt Grundmanns Kollege Reinhard Dörner. Stattdessen benötigt die Elektronenwelle eine gewisse Zeit, um sich über das molekulare Elektronenorbital auszubreiten. Die Länge dieser Zeit hängt wiederum davon ab, wie lange das Photon von einem Ende des Moleküls zum anderen braucht. (Science, 2020; doi: 10.1126/science.abb9318)

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main

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