Исследование немецких учёных «Zeptosecond birth time delay in molecular photoionization» открыло миру самую короткую единицу времени в истории современной науки – считанные моменты, за которые фотон пересекает молекулу водорода.
Частице света необходимо 247 зептосекунд, чтобы пересечь самую маленькую в природе молекулу. Зептосекунда соответствует отрезку времени, равному одной триллионной миллиардной доли секунды. В цифровом виде она представлена числом с двадцатью нулями и единицей после десятичного разделителя. Прежде физикам удавалось сузить определяемый шаг времени лишь до 860 зептосекунд. Столь ощутимый прирост в точности измерений кажется просто невероятным в сравнении с фемтосекундами – миллионными миллиардными доли секунды, впервые измеренными в конце XX века. Для протекания даже самых стремительных химических реакций необходимы сотни фемтосекунд, однако счёт идёт на зептосекунды, когда речь идёт о взаимодействии фотонов с различными молекулами.
Чтобы измерить отрезок времени, необходимый фотону для пересечения молекулы водорода, физик Рейнхард Дёрнер и его коллеги из Университета имени Гёте использовали источник рентгеновского излучения PETRA III из расположенного в Гамбурге Немецкого электронного синхротрона (ускорителя элементарных частиц DESY). Учёные настроили излучатель PETRA III таким образом, чтобы один фотон, направленный на молекулу водорода, «выбил» из неё два электрона. (Молекула водорода состоит из двух протонов и двух электронов.) Взаимодействие фотона с молекулой вызвало реакцию, похожую на рябь, возникающую на поверхности водоёма после контакта с плоской галькой. Поскольку частица света поочерёдно «выбивала» электроны, учёные могли наблюдать явление интерференции волн между двумя когерентным волнами.
Изменения амплитуды волн физики запечатлели при помощи специального «фотоаппарата» для химических связей COLTRIMS. Он представляет собой реакционный микроскоп, который проводит спектроскопию по импульсу отдачи иона в холодную мишень. Информация о химических связях внутри молекул регистрируется специальным детектором, который воздействует на объект исследования импульсами высокоэнергетического синхротронного рентгеновского излучения. В итоге исследователи получили данные как об интерференционной картине, так и о положении в пространстве молекулы водорода в ходе взаимодействия с фотоном. На основе этой информации они смогли рассчитать, сколько времени понадобилось световой частице, чтобы пересечь оба атома водорода. Средний показатель оказался равным 247 зептосекундам, однако он может незначительно разниться в зависимости от точного расстояния между атомами в момент контакта с фотоном.
В рамках данного исследования немецкие физики по сути измерили скорость света в пределах одной молекулы. Впервые в истории учёные смогли убедиться, что электронная оболочка молекулы не способна реагировать на свет одновременно и по всей поверхности частицы, поскольку даже внутри молекулы скорость передачи информации ограничена скоростью света.