Credit: Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt

Introduzione

Nella corsa globale per misurare intervalli di tempo sempre più brevi, i fisici della Goethe University di Francoforte hanno ora preso l’iniziativa: insieme ai colleghi dell’impianto di accelerazione DESY di Amburgo e del Fritz-Haber-Institut di Berlino, hanno misurato per la prima volta un processo che rientra nel regno degli zeptosecondi: la propagazione della luce all’interno di una molecola. Uno zeptosecondo è un trilionesimo di miliardesimo di secondo (10-21).

Il nuovo mondo dei zeptosecondi

Nel 1999, il chimico egiziano Ahmed Zewail ha ricevuto il premio Nobel per la misurazione della velocità con cui le molecole cambiano forma. Ha fondato la femtochimica utilizzando flash laser ultracorti: la formazione e la rottura dei legami chimici avviene nel regno dei femtosecondi. Un femtosecondo equivale a 0,00000000000000001 secondi.

Ora i fisici atomici della Goethe University nel team del professor Reinhard Dörner hanno studiato per la prima volta un processo che è più breve dei femtosecondi. Hanno misurato il tempo necessario a un fotone per attraversare una molecola di idrogeno: circa 247 zeptosecondi per la lunghezza media del legame della molecola. Questo è il lasso di tempo più breve che è stato misurato con successo fino ad oggi.

L’esperimento

Gli scienziati hanno effettuato la misurazione del tempo su una molecola di idrogeno (H2) che hanno irradiato con raggi X dalla sorgente luminosa di sincrotrone PETRA III presso il centro di accelerazione di Amburgo DESY. 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 come particelle e onde contemporaneamente e quindi l’espulsione del primo elettrone ha portato ad onde di elettroni lanciati prima in quello, e poi nel secondo atomo della molecola di idrogeno in rapida successione, con le onde che si fondono.

Il fotone si comportava qui come un sassolino piatto che viene sfiorato due volte sull’acqua: quando un trogolo d’onda incontra una cresta d’onda, le onde del primo e del secondo contatto con l’acqua si annullano a vicenda, dando luogo a quello che viene chiamato un modello di interferenza.

La misurazione

Gli scienziati hanno misurato il modello di interferenza del primo elettrone espulso usando il microscopio a reazione COLTRIMS, un apparecchio 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 reazione COLTRIMS ha anche permesso di determinare l’orientamento della molecola di idrogeno. I ricercatori hanno approfittato del fatto che anche il secondo elettrone ha lasciato la molecola di idrogeno, in modo che i nuclei di idrogeno rimanenti volassero via e venissero rilevati.

Poiché conoscevamo l’orientamento spaziale della molecola di idrogeno, abbiamo utilizzato l’interferenza delle due onde di elettroni 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 su Science. “E questo arriva fino a 247 zeptosecondi, a seconda di quanto distanti nella molecola i due atomi erano dal punto di vista della luce“.

Aggiunge il professor Reinhard Dörner: “Abbiamo osservato per la prima volta che il guscio dell’elettrone in una molecola non reagisce alla luce ovunque nello stesso momento. Il ritardo temporale si verifica perché le informazioni all’interno della molecola si diffondono solo alla velocità della luce. Con questa constatazione abbiamo esteso la nostra tecnologia COLTRIMS ad un’altra applicazione“.

Citazioni e Approfondimenti