Les scientifiques mesurent la durée la plus courte jamais atteinte: les zeptosecondes

Les scientifiques ont mesuré l’unité de temps la plus courte jamais réalisée: le temps qu’il faut à une particule légère pour traverser un hydrogène molécule.

Ce temps, pour mémoire, est de 247 zeptosecondes. Une zeptoseconde est un billionième de milliardième de seconde, ou un point décimal suivi de 20 zéros et d’un 1.

Auparavant, les chercheurs avaient plongé dans le domaine des zeptosecondes; en 2016, des chercheurs rapportant dans la revue Physique de la nature utilisé des lasers pour mesurer le temps par incréments jusqu’à 850 zeptosecondes.

Cette précision est un énorme bond en avant par rapport au travail lauréat du prix Nobel de 1999 qui mesurait pour la première fois le temps en femtosecondes, qui sont des millionièmes de milliardièmes de seconde.

Il faut des femtosecondes pour que les liaisons chimiques se rompent et se forment, mais il faut quelques zeptosecondes pour que la lumière traverse une seule molécule d’hydrogène (H2).

Pour mesurer ce très court voyage, le physicien Reinhard Dörner de l’Université Goethe en Allemagne et ses collègues ont tiré Rayons X du PETRA III au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), un accélérateur de particules à Hambourg.

Les chercheurs ont réglé l’énergie des rayons X de sorte qu’un seul photon, ou particule de lumière, élimine les deux électrons de la molécule d’hydrogène. (Une molécule d’hydrogène est constituée de deux protons et de deux électrons.) Le photon a rebondi un électron hors de la molécule, puis l’autre, un peu comme un caillou sautant au-dessus d’un étang.

Ces interactions ont créé un motif d’onde appelé motif d’interférence, que Dörner et ses collègues pouvaient mesurer avec un outil appelé microscope à réaction COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy). Cet outil est essentiellement un détecteur de particules très sensible qui peut enregistrer des réactions atomiques et moléculaires extrêmement rapides.

Le microscope COLTRIMS a enregistré à la fois le diagramme d’interférence et la position de la molécule d’hydrogène tout au long de l’interaction.

“Puisque nous connaissions l’orientation spatiale du molécule d’hydrogène, nous avons utilisé l’interférence des deux ondes électroniques pour calculer précisément quand le photon a atteint le premier et quand il a atteint le deuxième atome d’hydrogène, “Sven Grundmann, co-auteur de l’étude à l’Université de Rostock en Allemagne, dit dans un communiqué.

Ce temps? Deux cent quarante-sept zeptosecondes, avec une certaine marge de manœuvre en fonction de la distance entre les atomes d’hydrogène dans la molécule au moment précis où le photon s’est envolé. La mesure capture essentiellement la vitesse de la lumière dans la molécule.

(Sven Grundmann / Université Goethe de Francfort)

IMAGE: Une particule de lumière, appelée photon (flèche jaune), produit des ondes électroniques à partir d’un nuage d’électrons (gris) d’une molécule d’hydrogène (rouge: noyau). Le résultat de ces interactions est ce qu’on appelle un motif d’interférence (violet-blanc). Le motif d’interférence est légèrement incliné vers la droite, ce qui permet aux chercheurs de calculer le temps nécessaire au photon pour passer d’un atome à l’autre.

“Nous avons observé pour la première fois que la couche électronique d’une molécule ne réagit pas à la lumière partout en même temps”, a déclaré Dörner dans le communiqué. “Le retard se produit parce que les informations contenues dans la molécule ne se propagent qu’à la vitesse de la lumière.”

Les résultats ont été détaillés le 16 octobre dans la revue Science.

Cet article a été initialement publié par Science en direct. Lire l’article original ici.