Zeptosekunden: Die kürzeste Zeitspanne, die je gemessen wurde
Gerade einmal 247 Zeptosekunden benötigt ein Lichtteilchen, um ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen zu durchqueren. Das haben nun Wissenschaftler um Reinhard Dörner von der Universität Frankfurt ermittelt – und damit nach eigenen Angaben einen Rekord erreicht: Noch nie wurde eine kürzere Zeitspanne vermessen. Eine Zeptosekunde ist der billionste Teil einer milliardstel Sekunde. Sie beträgt anders ausgedrückt 10-21 Sekunden.
Im Fachmagazin »Science« schildern sie ihren Versuchsaufbau. Sie beschossen das Wasserstoffmolekül (H2) mit einem Lichtteilchen hoher Energie, einem Röntgenphoton. Auf seinem Weg schoss es zuerst das eine, dann das andere Elektron des Wasserstoffmoleküls aus dem Verbund. Weil die Elektronen sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhalten, erzeugte jeder der beiden »Treffer« eine eigene Elektronenwelle. Beide Wellen überlagern sich und erzeugen ein Interferenzmuster, das das Team um Dörner mit Hilfe eines empfindlichen und ultraschnellen Messgeräts abbildete. Dieses so genannte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wurde von der Arbeitsgruppe um Dörner mitentwickelt und befindet sich, genau wie die Quelle ihrer Röntgenphotonen, am Hamburger Beschleunigerzentrum DESY.
Die Zeit, die zwischen der Erzeugung der beiden Elektronenwellen vergeht, schlägt sich in einer Verzerrung des Interferenzmusters nieder. Und diese wiederum erlaubte es den Fachleuten, auf den genauen Zeitablauf der Ereignisse rückzuschließen: Zwischen den beiden »Treffern« vergingen eben maximal 247 Zeptosekunden, »je nachdem, wie weit die beiden Atome im Molekül gerade aus Sicht des Lichts voneinander entfernt waren«, erklärt der Frankfurter Forscher Sven Grundmann, Erstautor der Studie, in einer Pressemitteilung.
Das zeige, dass selbst in einem so winzigen Molekül wie diesem die Elektronenhülle nicht überall gleichzeitig auf das eintreffende Licht reagieren könne, erklärt Dörner. Stattdessen breite sich die Information nur mit Lichtgeschwindigkeit aus, was dann die charakteristische Verzerrung im Interferenzmuster hervorruft.
Ein erster Durchbruch in die Zeptosekundenphysik war Forschern bereits im Jahr 2016 gelungen. Die von ihnen ermittelte Zeitdauer, die sie mit Hilfe von Lasern ermittelten, betrug 850 Zeptosekunden.
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