Físicos atómicos de la Universidad de Frankfurt han estudiado por primera vez un proceso que es más corto que los femtosegundos en magnitud.
Midieron el tiempo que tarda un fotón en cruzar una molécula de hidrógeno: aproximadamente 247 zeptosegundos o miltrillonésimas de un segundo para la longitud promedio de enlace de la molécula. Este es el período de tiempo más corto que se ha medido con éxito hasta la fecha.
Los científicos del laboratorio de Reinhard Dorner, llevaron a cabo la medición del tiempo en una molécula de hidrógeno (H2) que irradiaron con rayos X de la fuente láser de rayos X PETRA III en la instalación de aceleración DESY de Hamburgo.
Los investigadores fijaron la energía de los rayos X de modo que un fotón fuera suficiente para expulsar ambos electrones de la molécula de hidrógeno.
Los electrones se comportan como partículas y ondas simultáneamente y, por lo tanto, la expulsión del primer electrón dio como resultado ondas de electrones lanzadas primero en el átomo de una molécula de hidrógeno y luego en el segundo en rápida sucesión, fusionándose las ondas.
El fotón se comportó aquí como una piedra plana que se desliza dos veces por el agua: cuando un canal de onda se encuentra con una cresta de onda, las ondas del primer y segundo contacto con el agua se cancelan entre sí, lo que da como resultado lo que se llama un patrón de interferencia.
Los científicos midieron el patrón de interferencia del primer electrón expulsado utilizando el microscopio de reacción COLTRIMS, un aparato que Dörner ayudó a desarrollar y que hace visibles los procesos de reacción ultrarrápidos en átomos y moléculas.
Simultáneamente con el patrón de interferencia, el microscopio de reacciones COLTRIMS también permitió la determinación de la orientación de la molécula de hidrógeno. Los investigadores aprovecharon el hecho de que el segundo electrón también abandonó la molécula de hidrógeno, de modo que los núcleos de hidrógeno restantes se separaron y fueron detectados.
“Como conocíamos la orientación espacial de la molécula de hidrógeno, usamos la interferencia de las dos ondas de electrones para calcular con precisión cuándo el fotón alcanzó el primero y cuándo alcanzó el segundo átomo de hidrógeno”, explica en un comunicado Sven Grundmann, cuya tesis doctoral forma la base del artículo científico publicado en Science.
“Y esto es hasta 247 zeptosegundos, dependiendo de qué tan separados estén los dos átomos en la molécula desde la perspectiva de la luz”.
El profesor Reinhard Dörner añade: “Observamos por primera vez que la capa de electrones de una molécula no reacciona a la luz en todas partes al mismo tiempo. El retraso se produce porque la información dentro de la molécula solo se propaga a la velocidad de la luz. Con este hallazgo hemos extendido nuestra tecnología COLTRIMS a otra aplicación”.
