Rekordzeit für einen Quantensprung – Physiker messen die Zeit, in der sich Photonen zum ersten Mal in einem Wasserstoffmolekül ausbreiten

Weltrekord der Zeitmessung: Physiker haben die kürzeste jemals aufgezeichnete Zeitspanne aufgezeichnet – 247 Zeptosekunden. Dies ist die Zeit, die ein Photon benötigt, um in einem Wasserstoffmolekül (H2) von einem Atom zum zweiten zu fliegen. Die Messung ergab auch, dass die Elektronenhülle eines Moleküls verzögert auf die Photoionisierung reagiert: Das Photon schlägt die Elektronen des Wasserstoffs nacheinander aus.

Es ist eine grundlegende Wechselwirkung zwischen Licht und Materie: Wenn hochenergetisches Licht auf ein Atom oder Molekül trifft, kann es Elektronen auf ein höheres Niveau bringen oder sie vollständig katapultieren – dies wird als Photoionisierung bezeichnet. Lange Zeit galt dies als zu schnell, um seine Dauer zu messen. Dank der Lasertechnologie haben Forscher nun herausgefunden, dass Elektronen leicht verzögert reagieren auf die Ankunft des Photons und wie lange die Photoionisation im Fall von Wolframatomen. Sogar gefilmt sein Verlauf wurde bereits.

Jetzt ist ein weiterer Schritt getan: Forscher, die mit Sven Grundmann von der Goethe-Universität Frankfurt zusammenarbeiten, haben erstmals gemessen, wie lange ein Photon von einem Ende eines Wasserstoffmoleküls zum anderen wandern muss – und wie die Elektronenhülle eines Moleküls reagiert Photoionisation durch Licht. Denn bisher wurden solche Messungen nur an Atomen durchgeführt.

Mit Lichtgeschwindigkeit durch das Molekül

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

Dieses Instrument erfasst die in der Elektronenhülle erzeugten Wellen und kann anhand des Interferenzmusters die Dauer des Prozesses messen. „Da wir die räumliche Ausrichtung des Wasserstoffmoleküls kannten, konnten wir aus der Interferenz zwischen den beiden Elektronenwellen sehr genau berechnen, wann das Photon das erste und das zweite Wasserstoffatom erreicht hatte“, erklärt Grundmann.

Die kürzeste jemals gemessene Zeitspanne

Das Ergebnis: Das Röntgenphoton benötigt durchschnittlich 247 Zeptosekunden, um das Wasserstoffmolekül einmal zu durchqueren. Dies ist die kürzeste Zeit, die jemals gemessen werden konnte. Eine Zeptosekunde entspricht einer Billionstel Milliardstel Sekunde – das sind 10^-21 Sekunden. Obwohl das Photon mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, trifft es selbst im kleinen Wasserstoffmolekül nicht sofort auf beide Atome hintereinander.

Und auch die Elektronenhülle dieses kleinsten aller Moleküle reagiert verzögert: „Wir haben nun erstmals beobachtet, dass die Elektronenhülle eines Moleküls nicht überall gleichzeitig auf Licht reagiert“, erklärt Grundmanns Kollege Reinhard Dörner. Stattdessen benötigt die Elektronenwelle eine gewisse Zeit, um sich durch das molekulare Elektronenorbital auszubreiten. Die Länge dieser Zeit hängt wiederum davon ab, wie lange das Photon von einem Ende des Moleküls zum anderen benötigt. (Wissenschaft, 2020; doi: 10.1126 / science.abb9318)

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main

19. Oktober 2020

– Nadja Podbregar