Prvi direktni dokaz talasnog ponašanja pozitronijuma – naučnici sa Tokyo University of Science zabeležili difrakciju

Na najmalim razmerama prirode pravila se menjaju na načine koji mogu biti istovremeno i uznemirujući i zadivljujući. Materija se ne ponaša više samo kao čestice koje prave jasno definisane putanje, već često pokazuje talasne osobine kojima upravlja kvantna mehanika.

Jedan od ključnih fenomena kvantne fizike je dualnost talas–čestica: čestice poput elektrona mogu se pod određenim uslovima širiti i interferirati poput talasa. Najpoznatiji dokaz te pojave do sada su eksperiment sa duplim prorezom i posmatranja difrakcije kod neutrona, atoma i velikih molekula. Međutim, do sada je izostajao direktan dokaz difrakcije za jedan posebno interesantan sistem — pozitronijum.

Schematic diagram of the experimental setup (not to scale). (CREDIT: Nature)

Šta je pozitronijum? Pozitronijum je kratkotrajni neutralni „atom“ sastavljen od elektrona i njegovog antipoda, pozitrona, koji imaju istu masu ali suprotan naboj. Zbog jednakih masa oba sastojka i kratkog vremena postojanja, pozitronijum predstavlja jedinstvenu priliku za ispitivanje ponašanja dvočestičnog sistema kao jedinstvene kvantne celine.

Kako su postigli difrakciju pozitronijuma

Tim sa Tokyo University of Science, predvođen profesorom Yasuyuki Nagashimom, zajedno sa docentom Yugo Nagatom i dr Riki Mikamijem, razvio je novi pristup za stvaranje koherentnog snopa pozitronijuma. Prvo su formirali negativne jone pozitronijuma (Ps–), koji sadrže dva elektrona i jedan pozitron. Preciznim laserskim impulsom uklonili su dodatni elektron i tako dobili neutralne atome pozitronijuma koji su se kretali kao dobro definisan snop.

TOF spectrum of the Ps beam at 3.3 keV. (CREDIT: Nature)

Ova metoda je omogućila snop sa uskim spektrom energija, visokom koherencijom i dobrim usmerenjem — sa dostignutom energijom do 3,3 keV — i sve to u ultra visok vakuum uslovima koji minimizuju šum i kontaminaciju eksperimentalnih površina.

Eksperiment i rezultat

Snop neutralnog pozitronijuma bio je usmeren ka tankom cilju od grafena, debljine samo dva do tri atomska sloja. Atomska rešetka grafena imala je prostornu razdaljinu koja odgovara odabranoj talasnoj dužini pozitivronijuma, što je bilo presudno za nastanak difrakcionog obrazca.

Positronium diffraction results. (CREDIT: Nature)

Na drugoj strani cilja nalazio se poziciono osetljiv detektor koji je beležio mesta gde su atomi stizali. Podaci su jasno pokazali difrakcioni obrazac, uključujući i vrh prvog reda tačno na mestu koje predviđa kvantna teorija. To predstavlja prvi neposredni eksperimentalni dokaz da se pozitronijum ponaša kao talas kada prolazi kroz materijal.

"Pozitronijum je najjednostavniji atom sastavljen od jednakih masa i, dok se ne samouništi, ponaša se kao neutralni atom u vakuumu. Sada smo, prvi put, posmatrali kvantnu interferenciju snopa pozitronijuma," izjavio je profesor Nagashima.

Šta to znači za nauku i primenu

Rezultati potvrđuju da elektron i pozitron u pozitronijumu ne difraktuju nezavisno — interferencija potiče iz talasne funkcije celog sistema. Ovakvo potvrđivanje univerzalnosti talasno-čestične dualnosti za vezane sisteme materije i antimaterije produbljuje poverenje u kvantnu teoriju i otvara nove mogućnosti u eksperimentalnoj fizici.

Praktične implikacije uključuju razvoj neutralnih snopova pozitronijuma kao alata za neinvazivnu analizu površina (posebno izolatora i magnetnih materijala) i perspektivu upotrebe pozitivronijuma u budućim eksperimentima koji bi ispitivali kako antimaterija reaguje na gravitaciju.

Rad je objavljen u časopisu Nature, i predstavlja značajan korak u primeni savremenih kvantnih tehnika: laserske kontrole, ultra čistih vakuuma i naprednih detektora, koji omogućavaju testiranje ideja koje su nekoć delovale nedostižno.

Zaključak: Posmatranje difrakcije pozitronijuma potvrđuje da i kratkotrajni, vezani sistemi materije i antimaterije slede talasna pravila kvantne mehanike, i proširuje spektar objekata kojima se mogu primenjivati precizna fundamentalna merenja.