Ερευνητές μέτρησαν το μικρότερο, έως τώρα, χρονικό διάστημα των 247 ζεπτοδευτερολέπτων, κατά τη διάρκεια ενός πειράματος που διερευνούσε μια από τις βασικότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ύλης και φωτός.
Ένα zeptosecond ισούται με το ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, κάτι που το καθιστά μία από τις πιο μικροσκοπικές μονάδες χρόνου που γνωρίζει η επιστήμη. Βέβαια, υπάρχουν ακόμα μικρότερες χρονικές κλίμακες, όπως για παράδειγμα ο χρόνος Planck, όμως οι μονάδες αυτές είναι τόσο “εξωτικές” που δεν είναι ακόμη δυνατό να μετρηθούν σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Οι επιστήμονες με επικεφαλής τον Sven Grundmann, έναν πυρηνικό φυσικό από το Πανεπιστήμιο Goethe στη Φρανκφούρτη, κατάφεραν να εκτελέσουν αυτή τη μέτρηση/ρεκόρ, παρατηρώντας το χρόνο που χρειάστηκε ένα φωτόνιο (ένα σωματίδιο φωτός) για να ταξιδέψει μέσα σε ένα μόριο υδρογόνου.
«Το μήκος του μορίου του υδρογόνου ήταν ήδη γνωστό, το ίδιο και η ταχύτητα του φωτός», λέει ο Grundmann. «Επομένως, θα μπορούσε εύκολα κάποιος να υπολογίσει ότι ένα φωτόνιο χρειάζεται 247 zeptoseconds για να περάσει μέσα από το μόριο».
«Ωστόσο, αυτό το διάστημα δεν είχε μετρηθεί έως τώρα, καθώς δεν υπήρχε το κατάλληλο ρολόι», προσθέτει. «Η μέτρησή μας αφορά την μικρότερη καταγεγραμμένη χρονική περίοδο (μέχρι στιγμής)».
Η μέτρηση επετεύχθη κατά την διάρκεια της έρευνας της ομάδας για τον φωτοϊονισμό, ο οποίος περιγράφεται ως «μία από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση φωτός-ύλης» στο άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό “Science”. Κατά τον φωτοϊονισμό, ένα άτομο ή μόριο απορροφά φωτόνια, με αποτέλεσμα να αποβάλλει ένα ή περισσότερα από τα ηλεκτρόνια του, να μετατρέπεται δηλαδή (το άτομο ή το μόριο) σε ιόν.
«Υπάρχει, σήμερα, αρκετό ενδιαφέρον στις πειραματικές μελέτες διαφόρων υπερταχέων διεργασιών», σημειώνουν στη μελέτη τους, ο Grundmann και οι συνεργάτες του. «Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εμφανίζει η δυναμική του φωτοϊονισμού σε πραγματικό χρόνο», προσθέτει η ομάδα, καθώς «η χρονική κλίμακα αυτής της διαδικασίας θέτει πολλά ανοιχτά ερωτήματα».
Ένα από αυτά τα ανοιχτά ερωτήματα είναι σχετικό με τη φύση του ονομαζόμενου “birth time delay”, που αφορά το χρονικό διάστημα μεταξύ της εκπομπής διαφορετικών ηλεκτρονίων από το ίδιο μόριο, λόγω της απορρόφησης ενός φωτονίου.
Για να μετρήσουν αυτό το εξαιρετικά σύντομο διάστημα, ο Grundmann και οι συνεργάτες του “βομβάρδισαν” μοριακό υδρογόνο με παλμούς λέιζερ ακτίνων Χ, χρησιμοποιώντας την εγκατάσταση “PETRA III” του “Deutsches Elektronen-Synchrotron” (DESY) στο Αμβούργο.
Ένα μόριο υδρογόνου αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου, το καθένα με ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το φως υψηλής ενέργειας κινήθηκε μέσα στο μοριακό υδρογόνο, διώχνοντας διαδοχικά και τα δύο ηλεκτρόνια.
«Δεν προσπαθήσαμε να σπάσουμε, επίτηδες, κανένα ρεκόρ», εξηγεί ο Grundmann. «Από τη δική μας σκοπιά, το πιο ενδιαφέρον εύρημα ήταν ότι το ηλεκτρονικό κέλυφος του μορίου δεν αντιδρά ως μία ενιαία μονάδα κατά την σύγκρουση με το φωτόνιο»
Η ομάδα μπόρεσε να συλλάβει τα διακριτά μοτίβα των κυμάτων που εκπέμπονταν από τα ηλεκτρόνια καθώς αυτά αποβάλλονταν, χάρη σε ένα εξελιγμένο μικροσκόπιο (reaction microscope) που ονομάζεται “COLTRIMS”. Οι ερευνητές συνέκριναν τα κύματα των ηλεκτρονίων με τους διασταυρούμενους κυματισμούς που δημιουργούνται από δύο διαδοχικές αναπηδήσεις μιας πέτρας σε μια λίμνη (τα λεγόμενα “ψαράκια” ή “βατραχάκια”).
Αυτή η άνευ προηγουμένου ματιά στον φωτοϊονισμό σε πραγματικό χρόνο, επέτρεψε στους επιστήμονες να μετρήσουν το “birth time delay” ή τον «χρόνο ταξιδιού του φωτονίου από το ένα μοριακό άτομο στο άλλο» στα 247 zeptoseconds, αναφέρει η δημοσίευση.
Αυτή η εξαιρετικά γρήγορη μέτρηση ξεπερνά το προηγούμενο ταχύτερο γεγονός που έχει καταγραφεί, το οποίο διήρκεσε 850 zeptoseconds και ήταν επίσης το αποτέλεσμα ενός πειράματος φωτοϊονισμού, σύμφωνα με μια δημοσίευση του 2016 στο “Nature Physics”.
Πιθανότατα, παρόμοια πειράματα στο μέλλον θα καταφέρουν να μετρήσουν ακόμη μικρότερα χρονικά διαστήματα, αποκαλύπτοντας παράλληλα την φυσική που περιγράφει το τι συμβαίνει μέσα και γύρω από τα άτομα και τα μόρια. Ο Grundmann επισημαίνει πως η διάρκεια ζωής ορισμένων στοιχειωδών σωματιδίων μετριέται σε yoctoseconds, τα οποία είναι 1.000 φορές μικρότερα από τα zeptoseconds.
«Ο χρόνος αποτελεί μια ασαφή έννοια στον κβαντικό κόσμο», δηλώνει ο ίδιος. «Ελπίζω ότι αυτή η μελέτη θα συμβάλει στη συζήτηση για το χρόνο και τελικά θα μας βοηθήσει να τον κατανοήσουμε καλύτερα».
«Η ομάδα μου και εγώ σκοπεύουμε να συνεισφέρουμε περαιτέρω, με πειράματα», δηλώνει, «Έχουμε στο μυαλό μας κάποια άλλα αέρια μόρια, υγρά και στερεά, μέσω των οποίων θα προσπαθήσουμε να παρακολουθήσουμε τη διάδοση του φωτός στην ύλη»
Παραπομπές: Zeptosecond birth time delay in molecular photoionization
Πηγή: https://www.sciandnature.com/
