Физики поставили рекорд по измерению самого короткого промежутка времени

Немецкие ученые измерили время распространения рентгеновского излучения внутри молекулы водорода и тем самым поставили рекорд по измерению самого короткого промежутка времени. Для этого они наблюдали за излучением двух электронов от различных атомов одной молекулы под воздействием когерентного ионизирующего излучения. В таком процессе эмиссия двух электронов начинается с небольшой задержкой друг относительно друга. Продолжительность последней измерили физики и получили значение, близкое к теоретическому предсказанию в 247 зептосекунд, или же 2,47 × 10^-19 секунды. По мнению авторов статьи, опубликованной в журнале Science, их исследование должно положить начало более подробному теоретическому и экспериментальному описанию эффекта.

Чтобы изучить и понять какой-либо физический процесс, очень полезно иметь представления о времени его протекания, а еще лучше иметь возможность проследить за этим процессом в режиме реального времени. Но когда речь идет о крайне быстрых процессах, реализовать это не так просто, тем более если эти явления происходят на масштабах схожих с размером атома. Большим прорывом в этой области были достижения Ахмеда Зевейла, который с помощью фемтосекундных лазеров научился наблюдать за течением химических реакций на временных масштабах порядка 10^-15 секунды.  За это он в 1999 получил Нобелевскую премию по химии.

В физике встречаются и существенно более быстрые процессы, для изучения которых недостаточно лазеров сверхкоротких импульсов. К ним относятся и процессы фотоионизации, в ходе которых атом или молекула лишается одного или нескольких электронов под воздействием электромагнитного излучения. За время фотоионизации принимается время, за которое электрон успевает стать свободной частицей после поглощения фотона, и называется оно задержкой Вигнера. Сам электрон согласно квантовой механике является волной, и по разностям фаз испущенных электронов можно судить о разности во времени между их эмиссиями. Ранее сообщалось, что временные масштабы в таких процессах измеряются десятками аттосекунд (1 аттосекунда – это 10^-18 секунды), и что их измерение может помочь в изучении электронных корреляций в атомах.

В фотоинонизации есть и процессы, происходящие за еще более короткое время, а их природа отличается от эффектов в основе происхождения задержки Вигнера. Они появляются, к примеру, в том случае, если волна ионизирующего излучения доходит до двух разных атомов в составе молекулы не одновременно, а по очереди, и в обоих центрах ионизации происходит эмиссия электронов. Тогда эта задержка приводит к неодновременному излучению молекулой двух электронов, между волновыми функциями которых появляется разность фаз. Исходя из скорости света и характерных расстояний между атомами в молекулах можно судить о времени подобных процессов: оно должно измеряться в сотнях зептосекунд (1 зептосекунда – это 10^-21 секунды).

Эту задержку между двумя эмиссиями электронов под воздействием ионизирующего излучения в молекуле водорода и измерял Свен Грундманн (Sven Grundmann) из университета имени Гёте. Источником ионизирующего рентгеновского излучения с энергией 800 электронвольт являлась установка PERTA III в ускорительном центре DESY в Гамбурге, а интерференционную картину вылетающих из молекулы водорода электронов наблюдали с помощью реакционного микроскопа COLTRIMS. Последний позволял напрямую регистрировать электроны и оставшиеся протоны, а также определять геометрию эмиссии: для измерений физикам необходимо было знать исходную ориентацию молекулы водорода, а именно угол между ее осью и направлением распространения ионизирующего излучения. Время движения излучения внутри молекулы измеряли по смещению интерференционной картины рассеяния двух электронов, ведь расстояние между двумя центрами эмиссии создавало разность фаз между волновыми функциями электронов. По своему принципу такой эксперимент полностью повторяет опыт Юнга на двух щелях: если к одной из щелей приложить пластинку, которая вносит в проходящее через нее излучение фазовый сдвиг, то интерференционная картина на экране сдвинется.

Для различных положений молекулы этот сдвиг должен быть разным: ведь излучение в таком случае проходит разное расстояние, а значит и время между началом эмиссии одного и другого электрона будет отличаться, что и учитывали физики в своих измерениях. Максимальная разность во времени в 247 зептосекунд для молекулы водорода с расстоянием между атомами 0,74 ангстрема должна достигаться в случае, если ось молекулы совпадает с направлением волнового вектора излучения. В эксперименте по измерению этого времени физики увидели его характерную линейную зависимость от косинуса угла ориентации молекулы, но полученные значения в среднем сильно превышали теоретические предсказания. В построении модели процесса авторы также попробовали учесть неидеальную сферичность волновых функций эмиссионных электронов, но предсказания все равно оказались меньше измерений.

Тем не менее, полученные данные указывают на дееспособность метода, хоть физики и говорят о необходимости объяснения наблюдаемых расхождений между экспериментом и теорией. По мнению авторов, эта проблема требует внимания, и решать ее необходимо либо с помощью более точных опытов, либо путем разработки более реалистичных моделей. Исследователи пишут и о важности регистрации такого тонкого эффекта разделения во времени двух эмиссий электронов с интервалом в 247 зептосекунд: в будущем этот эффект может позволить наблюдать за поведением молекул на схожем временном масштабе. Интересен и сам факт измерения столь малого промежутка времени, которой почти в 4 раза меньше предыдущего рекорда (порядка аттосекунды).

С измерением более длительных промежутков времени очень хорошо справляются атомные часы: ранее мы рассказывали о том, как их точность увеличили в полтора раза. А самые точные механические часы сделали из левитирующих кремниевых цилиндров.

Никита Козырев