將量子物理學與經典物理學區分開來的決定性進步之一是認識到物質在非常小的尺度上是非常不同的。最重要的發現之一是波粒二象性，即粒子可以表現得像波一樣。
這個概念透過雙縫實驗而廣為人知。當電子射過兩個窄縫時，它們在探測器上形成了明帶和暗帶的圖案。該模型揭示了每個電子的行為就像一個波，其量子波函數同時穿過兩個狹縫並與自身發生干涉。後來科學家用中子、氦原子和更大的分子證實了這種效應，將物質波的繞射確立為量子力學的關鍵原理。然而，儘管取得了這些進展，這種現象並未在正電子素中直接觀察到。正電子是一種短命的雙體系統，其中電子和正電子圍繞著受約束且共享的質心軌道運行。由於這兩個組件具有相同的質量，研究人員長期以來一直試圖了解該系統在形成光束並經歷衍射時會是什麼樣子。
首次觀察到正子波行為
由 Yasuyuki Nagashima 教授、副教授 Yugo Nagata 和 Riki Mikami 博士領導的東京理科大學（日本）研究小組現已實現了這一目標。他們成功地展示了正電子束中物質波的繞射。他們實驗中使用的光束具有產生明顯干涉效果所需的能量範圍和相干性。他們的研究結果發表於 自然通訊為不尋常系統中的波粒二象性提供了強有力的新證據。
「正電子素是由相同質量的成分組成的最簡單的原子，在它自我湮滅之前，它的行為就像真空中的中性原子。現在，我們第一次觀察到正電子束的量子乾涉，這可能為使用正電子素進行基礎物理學的新研究開闢道路，」長島教授說。
創建高品質的正電子束
這項突破是基於高度受控的正電子束的產生。為此，研究人員首先創造了帶負電的正電子離子。然後，他們使用精確定時的雷射脈衝去除多餘的電子，從而產生快速、中性、相干的正電子原子流。
此光束指向一片石墨烯。石墨烯原子之間的間距與實驗中使用的能量下正電子素的德布羅意波長相符。當正電子原子穿過兩到三層石墨烯片時，其中一些原子穿過並被檢測到。由此產生的測量揭示了獨特的衍射圖案，證實了波狀行為。
清晰的衍射圖案和量子行為
與早期技術相比，此方法產生更高能量的正電子束，高達 3.3 keV。它還提供更窄的能量分佈和更緊密聚焦的光束。在非常高的真空中進行實驗可以保持石墨烯表面清潔，從而可以更清晰地看到衍射圖案。
結果表明，雖然正電子素由兩個粒子組成，但它的行為就像單一量子物體。電子和正電子不會單獨衍射，而是作為波一起作用。
「這項創新實驗里程碑標誌著基礎物理學的重大進步。它不僅證明了正電子素作為耦合的輕子-反輕子系統（行為像微小原子的系統）的波動性質，而且還為涉及正電子素的精確測量開闢了道路，」永田博士說。
研究團隊也研究了正電子素是否會對單一粒子（例如電子）造成乾擾。他們的發現證實了這一點，並強化了它作為一個統一的量子實體發揮作用的想法。
材料科學與反物質研究的未來應用
除了證實其量子特性之外，正電子繞射還可以帶來實際應用。由於正電子素不帶電荷，因此可用於探測材料表面而不損壞它們。這使得它對於研究可能幹擾帶電粒子束的絕緣體或磁性材料特別有價值。
展望未來，涉及正電子乾擾的實驗也可能使測試反物質對重力的反應成為可能。這仍然是一個懸而未決的問題，因為尚未獲得直接測量，甚至對於電子也是如此。
關於東京理科大學長島康之教授
Yasuyuki Nagashima博士是日本東京理科大學物理系教授，專門研究正電子和正電子物理。他的研究重點是正電子負離子和正電子束的性質。它也研究由固體表面的正電子湮滅引起的離子解吸。 2020年，獲得松尾財團的琢磨紀念獎。他的實驗室對奇異粒子與物質相互作用進行基礎研究，同時開發新的基於正電子的應用物理學實驗技術。
關於東京理科大學永田佑吾副教授
Yugo Nagata 博士是日本東京理科大學物理系副教授，專門研究正電子和原子物理學。 2023年獲得日本正電子學會青年科學家獎。
這項工作得到了 JSPS KAKENHI（授權號：JP25H00620、JP21H04457 和 JP17H01074）的支持。
