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世界上首次观察到正电子素的衍射现象，正电子素是一种由电子和正电子组成的中性粒子～正电子量子干涉实验第一步～
研究总结及要点
- 我们在世界上首次通过将由电子和正电子产生的类氢中性粒子（正电子素）束透过石墨烯薄膜，成功观察到正电子素的衍射现象。
- 这是首次观测到正电子束中的量子干涉，是一项重大研究成果。
- 这为使用正电子素进行晶体结构分析和基础物理新研究铺平了道路。
研究概述
量子力学诞生已经整整100年了。在这个值得纪念的年份，hjc888黄金城中国官方网站理学部物理系的长岛康幸教授、永田佑吾副教授以及hjc888黄金城中国官方网站理学院研究生院物理系三上力久先生（2024年完成博士课程，现为高能加速器研究机构材料结构科学研究所博士后研究员）领导的研究小组，在世界上首次成功观测到衍射现象通过将正电子束 (*2) 注入石墨烯薄膜中，产生正电子现象，正电子束 (*2) 是正电子 (*1) 和电子被库仑力吸引时产生的类氢原子中性粒子。
这是使用长岛实验室开发的高质量可变能量正电子束的结果，并展示了由于正电子素的波动性而产生的量子干涉（*3）。电中性正电子素衍射效应的验证为新的晶体结构分析和使用正电子素阐明基础物理铺平了道路。
此研究结果将于 2025 年 12 月 23 日发布在线发表于国际学术期刊《Nature Communications》
研究背景
正电子是电子的反粒子，与电子不同，它带有正电荷。它们与电子没有什么不同，只是它们带有正电荷，但它们在我们周围几乎不存在。然而，正电子是使用放射性同位素和加速器产生的，并用于研究、医学、工业等。
正电子与电子结合形成电中性粒子，称为正电子素。它类似于氢原子，但它的质量只有氢原子的 1/1000。此外，正电子素中的电子和正电子湮灭并变成伽马射线。这种现象被称为“正电子素的自湮灭”。
正电子在产生后会在 125 ps 或 142 ns 的极短时间 (*4) 内自湮灭。这些寿命对我们来说非常短，但正电子素在此期间表现为中性原子。量子力学上，它可以像普通氢原子一样用波函数来表示，它也应该会引起干扰。然而，尚未进行研究来观察使用正电子素作为光束的干涉效应。
研究结果详情
当短波长的X射线入射到晶体上时，X射线是一种称为电磁波的“波”，因此它们会被晶体的原子衍射并与其他波发生干涉，从而产生衍射图像。即使当电子入射时，也会以相同的方式产生衍射图像。
这种衍射图像是电子产生量子力学波并引起干涉时产生的，作为电子作为物质波传播的证据，在量子力学的发展中发挥了重要作用。
长岛教授和永田副教授的研究小组通过将正电子束注入石墨烯薄膜来观察衍射现象。正电子束使用长岛实验室先前开发的高质量正电子束。
正电子是电中性的，因此一旦产生，就无法使用电场加速。因此，我们通过将正电子素与另一个电子结合来产生正电子素负离子，用电场加速它，并用激光束分离电子，从而产生具有必要能量的正电子束。
研究小组将正电子素的能量提升至23 keV或33 keV。通过将其注入石墨烯薄膜，我们观察到正电子素从入射侧逃逸到相反的表面（图 1）。
石墨烯是由碳制成的薄膜。它非常耐用，可以制成薄至一个原子层的薄膜。在这项研究中，使用了双原子层薄膜。
众所周知，当电子束入射到石墨烯薄膜上时，由于电子衍射而在下游获得图像。这项研究的目的是观察正电子素是否表现出类似的衍射的证据。
本研究中使用的正电子束产生方法是一项其他地方无法模仿的优秀技术，但强度不可避免地较低。结果，测量工作总共花了两年时间。最后，他们成功地找到了正电子素在石墨烯薄膜中衍射的证据。
图2(a)显示了使用能量为33 keV的正电子束获得的数据。图 (b) 显示了使用 23 keV 正电子束获得的数据。显示围绕光束轴穿过石墨烯的图像的平均结果与距光束轴的距离。
在 (a) 中，峰值出现在 81 毫米处。该位置与假设正电子素在石墨烯的原子位置处衍射而计算出的峰值位置相匹配。
在(b)中，峰出现在100mm的位置，这也与假设正电子素被石墨烯原子衍射而计算出的位置相匹配。
这是正电子素与石墨烯原子的衍射方式，并且首次观察到通过干涉获得的峰。
正电子素干扰石墨烯碳原子时观察到的量子干涉开辟了一个新的研究领域。首先，研究表明正电子素像 X 射线和电子一样，可以用来分析晶体的结构。当正电子素以刚好低于表面的角度进入样品表面时，它会被全反射而不会穿透样品，从而在表面第一层的晶体结构中产生衍射信号。
接下来，证明了正电子素波函数的干涉，这给正电子素新的基础研究带来了希望。其中之一是正电子素的重力测量，迄今为止还没有人成功做到这一点。到目前为止，还没有进行任何实验来研究电子或正电子是否受到引力场的影响。原因是实验环境中电子和正电子受到的电力比重力强几个数量级，因此无法观察到重力的影响。
这项研究证明正电子素的波函数会产生干涉效应。通过利用这一点，创建正电子干涉仪并观察正电子在地球引力场中如何移动的想法已经成为现实。
*这项研究得到了日本学术振兴会科学研究资助金 (JSPS KAKENHI) JP25H00620、JP21H04457 和 JP17H01074 的支持。
术语
＊1正电子电子的反粒子。它的质量等于电子的质量，其电荷为正且等于电子电荷的绝对值。通过放射性同位素的β衰变和高能伽马射线的电子对产生而获得。当它遇到电子时，它会湮灭成两束伽马射线。
＊2 正电子一种中性粒子，其中电子和正电子通过库仑力结合在一起。它的质量是氢原子的1/1000，因此可以被认为是最轻的中性原子。然而，它在短暂的寿命后就会消失并变成伽马射线。
＊3 量子干涉在量子力学中，物质用波来表示，这些波称为波函数。当两个波函数重叠时，波会相互增强或减弱。这称为量子干涉。
＊4 125 ps、142 ns 的极短时间ps 是皮秒，即万亿分之一秒。 ns 是纳秒，即十亿分之一秒。
论文信息
杂志名称
自然通讯
论文标题
正电子衍射的观察
作者
Yugo Nagata、Riki Mikami、Nazrene Zafar 和 Yasuyuki Nagashima