Il fotone (giallo, proveniente da sinistra) produce onde elettroniche dalla nuvola di elettroni (grigio) della molecola di idrogeno (rosso:nucleo), che interferiscono tra loro (schema di interferenza:viola-bianco). Lo schema di interferenza è leggermente inclinato verso destra, permettendo il calcolo di quanto tempo occorre al fotone per passare da un atomo al successivo. Credito:Sven Grundmann, Università Goethe di Francoforte
Nel 1999, il chimico egiziano Ahmed Zewail ha ricevuto il premio Nobel per aver misurato la velocità con cui le molecole cambiano forma. Ha fondato la femtochimica utilizzando lampi laser ultracorti:la formazione e la rottura dei legami chimici avviene nel regno dei femtosecondi.
Ora, i fisici atomici della Goethe University nel gruppo del professor Reinhard Dörner hanno studiato per la prima volta un processo che è più breve di femtosecondi per grandezza. Hanno misurato quanto tempo impiega un fotone per attraversare una molecola di idrogeno:circa 247 zeptosecondi per la lunghezza media del legame della molecola. Questo è l'intervallo di tempo più breve che è stato misurato con successo fino ad oggi.
Gli scienziati hanno effettuato la misurazione del tempo su una molecola di idrogeno (H 2 ) che hanno irradiato con raggi X dalla sorgente laser a raggi X PETRA III presso l'impianto di accelerazione DESY di Amburgo. I ricercatori hanno impostato l'energia dei raggi X in modo che un fotone fosse sufficiente per espellere entrambi gli elettroni dalla molecola di idrogeno.
Gli elettroni si comportano simultaneamente come particelle e onde, e quindi l'espulsione del primo elettrone ha provocato onde elettroniche lanciate per prime nell'uno, e poi nel secondo atomo di molecola di idrogeno in rapida successione, con le onde che si uniscono.
Il fotone si comportava qui come un sasso piatto che viene sfiorato due volte sull'acqua:quando un avvallamento d'onda incontra una cresta d'onda, le onde del primo e del secondo contatto d'acqua si annullano, determinando quello che viene chiamato un modello di interferenza.
Gli scienziati hanno misurato il modello di interferenza del primo elettrone espulso utilizzando il microscopio a reazione COLTRIMS, un apparato che Dörner ha contribuito a sviluppare e che rende visibili i processi di reazione ultraveloci negli atomi e nelle molecole. Contemporaneamente al modello di interferenza, il microscopio a reazioni COLTRIMS ha anche permesso di determinare l'orientamento della molecola di idrogeno. I ricercatori qui hanno approfittato del fatto che anche il secondo elettrone ha lasciato la molecola di idrogeno, in modo che i restanti nuclei di idrogeno si separassero e venissero rilevati.
"Poiché conoscevamo l'orientamento spaziale della molecola di idrogeno, abbiamo usato l'interferenza delle due onde elettroniche per calcolare con precisione quando il fotone ha raggiunto il primo e quando ha raggiunto il secondo atomo di idrogeno, " spiega Sven Grundmann la cui tesi di dottorato costituisce la base dell'articolo scientifico in Science. "E questo è fino a 247 zeptosecondi, a seconda di quanto distanti nella molecola i due atomi erano dal punto di vista della luce."
Il professor Reinhard Dörner aggiunge:"Abbiamo osservato per la prima volta che il guscio di elettroni in una molecola non reagisce alla luce ovunque contemporaneamente. Il ritardo si verifica perché le informazioni all'interno della molecola si diffondono solo alla velocità della luce. Con questa scoperta abbiamo esteso la nostra tecnologia COLTRIMS a un'altra applicazione."
