Sven Grundmann et al. / Science, 2020
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 подробно 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 фемптосекундных 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.
Интерференционные картины рассеяния когерентного излучения на двух щелях (слева) и распространения двух электронов в результате их последовательной эмиссии. Красная линия соответствует смещению картин за счет разности фаз.
Sven Grundmann et al. / Science, 2020
Интерференционная картина рассеяния двух эмиссионных электронов в зависимости от угла расположения молекулы водорода по отношению к волновому вектору ионизирующего излучения β (слева), зависимость измеренного промежутка времени между двумя последовательными эмиссиями электронов от cos(β).
Sven Grundmann et al. / Science, 2020
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 их левитирующих кремниевых цилиндров.
Никита Козырев