In 1999, de Egyptische chemicus Ahmed Zewail ontving de Nobelprijs voor het meten van de snelheid waarmee moleculen van vorm veranderen. Hij richtte femtochemie op met behulp van ultrakorte laserflitsen:de vorming en het verbreken van chemische bindingen vindt plaats op het gebied van femtoseconden.

Nutsvoorzieningen, atoomfysici van de Goethe-universiteit in het team van professor Reinhard Dörner hebben voor het eerst een proces bestudeerd dat in magnitude korter is dan femtoseconden. Ze maten hoe lang het duurt voordat een foton een waterstofmolecuul passeert:ongeveer 247 zeptoseconden voor de gemiddelde bindingslengte van het molecuul. Dit is de kortste tijdspanne die tot nu toe met succes is gemeten.

De wetenschappers voerden de tijdmeting uit op een waterstofmolecuul (H ₂ ) die ze bestraalden met röntgenstralen van de röntgenlaserbron PETRA III in de Hamburgse versnellerfaciliteit DESY. De onderzoekers stelden de energie van de röntgenstralen zo in dat één foton voldoende was om beide elektronen uit het waterstofmolecuul te stoten.

Elektronen gedragen zich tegelijkertijd als deeltjes en golven, en daarom resulteerde de uitwerping van het eerste elektron in elektronengolven die als eerste in het ene werden gelanceerd, en dan snel achter elkaar in het tweede waterstofmolecuulatoom, met de golven die samenvloeien.

Het foton gedroeg zich hier net als een platte kiezelsteen die twee keer over het water wordt gehaald:wanneer een golfdal een golftop ontmoet, de golven van het eerste en tweede watercontact heffen elkaar op, resulterend in een zogenaamd interferentiepatroon.

De wetenschappers maten het interferentiepatroon van het eerste uitgeworpen elektron met behulp van de COLTRIMS-reactiemicroscoop, een apparaat dat Dörner heeft helpen ontwikkelen en dat ultrasnelle reactieprocessen in atomen en moleculen zichtbaar maakt. Gelijktijdig met het interferentiepatroon, de COLTRIMS-reactiemicroscoop maakte het ook mogelijk de oriëntatie van het waterstofmolecuul te bepalen. De onderzoekers profiteerden hier van het feit dat het tweede elektron ook het waterstofmolecuul verliet, zodat de resterende waterstofkernen uit elkaar vlogen en werden gedetecteerd.

"Omdat we de ruimtelijke oriëntatie van het waterstofmolecuul kenden, we gebruikten de interferentie van de twee elektronengolven om precies te berekenen wanneer het foton het eerste bereikte en wanneer het het tweede waterstofatoom bereikte, " legt Sven Grundmann uit wiens proefschrift de basis vormt van het wetenschappelijke artikel in Science. "En dit is tot 247 zeptoseconden, afhankelijk van hoe ver uit elkaar in het molecuul de twee atomen waren vanuit het perspectief van licht."

Professor Reinhard Dörner voegt toe:"We hebben voor het eerst waargenomen dat de elektronenschil in een molecuul niet overal tegelijk op licht reageert. De vertraging treedt op omdat informatie in het molecuul zich alleen met de snelheid van het licht verspreidt. Met deze bevinding we hebben onze COLTRIMS-technologie uitgebreid naar een andere toepassing."