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247 zeptosecondi, nuovo record mondiale nella misurazione del tempo

Credit: Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt

Nel 1999, il chimico egiziano Ahmed Zewail vinse il premio Nobel per aver misurato la velocità con cui le molecole cambiano forma. Fondò la femtochimica, utilizzando flash laser ultracorti.

Ora, in uno studio pubblicato sull’autorevole rivista Science, gli scienziati hanno misurato l’unità di tempo più breve in assoluto, ovvero il tempo impiegato da una particella leggera per attraversare una molecola di idrogeno: 247 zeptosecondi.

Uno zeptosecondo è un trilionesimo di miliardesimo di secondo, o un punto decimale seguito da 21 zeri e un’unità.
A dire il vero non è la prima volta che i ricercatori si addentrano in questa unità di tempo: già nel 2016, infatti, avevano misurato grazie ai laser una frazione pari a 850 zeptosecondi, ma il lavoro attuale rappresenta un enorme balzo in avanti rispetto alla misurazione in femtosecondi che valse il Nobel 1999.

In effetti occorrono femtosecondi perché i legami chimici si rompano e si formino, ma ci vogliono zeptosecondi perché la luce attraversi una singola molecola di idrogeno. Per misurare questo brevissimo viaggio, il fisico Reinhard Dörner della Goethe University in Germania e i suoi colleghi, hanno sparato raggi X dal PETRA III al Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), un acceleratore di particelle ad Amburgo.

I ricercatori hanno impostato l’energia dei raggi X in modo che un singolo fotone, o particella di luce, espellesse i due elettroni dalla molecola di idrogeno (una molecola di idrogeno è composta da due protoni e due elettroni.) Il fotone ha fatto rimbalzare un elettrone fuori dalla molecola, e poi l’altro, un po’ come un sassolino che salta sulla sommità di uno stagno.

Queste interazioni hanno creato un modello d’onda chiamato modello di interferenza, che Dörner e i suoi colleghi potevano misurare con un microscopio a reazione, il Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS). Questo strumento è essenzialmente un rilevatore di particelle molto sensibile in grado di registrare reazioni atomiche e molecolari estremamente veloci. Il microscopio COLTRIMS ha registrato sia il pattern di interferenza che la posizione della molecola di idrogeno durante l’interazione.

Poiché conoscevamo l’orientamento spaziale della molecola di idrogeno, abbiamo utilizzato l’interferenza delle due onde elettroniche per calcolare con precisione quando il fotone ha raggiunto il primo e quando ha raggiunto il secondo atomo di idrogeno“, ha affermato Sven Grundmann, co-autore dello studio presso l’Università di Rostock in Germania.

Duecentoquarantasette zeptosecondi; una misurazione che cattura essenzialmente la velocità della luce all’interno della molecola.

Abbiamo osservato per la prima volta che il guscio dell’elettrone in una molecola non reagisce alla luce ovunque nello stesso momento“, ha detto Dörner nella dichiarazione. “Il ritardo si verifica perché le informazioni all’interno della molecola si diffondono solo alla velocità della luce. Con questa scoperta abbiamo esteso la nostra tecnologia COLTRIMS a un’altra applicazione.”

Bibliografia: goethe-university-frankfurt

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Renato Sansone: Giornalista scientifico, iscritto all'ordine nazionale dal 2013. Si occupa di cronaca scientifica dal 2011. Contatti: renato.sansone@geomagazine.it
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