米兰 《自然·通讯》重磅: 人类首次观测到正电子素衍射

在量子力学的宏伟版图中，波粒二象性始终是最令人着迷的基石之一。从1927年戴维孙和革末首次观测到电子衍射至今，人类已经证明了从电子、中子到大分子的波动本性。然而，当物质遇见反物质，这种波动的律动是否依然存在？

发表于《自然通讯》题为《正电子偶衍射的观测》（Observation of positronium diffraction）的里程碑式论文，由日本东京理科大学永岛隆幸（Yasuyuki Nagashima）教授领衔的团队，成功观测到了正电子偶的物质波衍射。这一发现不仅在实验上捕捉到了物质与反物质结合体的“量子舞步”，更为人类探索宇宙中最深邃的对称性开启了一扇全新的大门。

1. 正电子偶之谜

要理解这项实验的重要性，首先要了解研究对象。正电子偶是已知最轻的中性“原子”。由于它由质量相等但电荷相反的两个轻子组成，它没有原子核。这是一个纯粹的轻子系统，是测试量子电动力学（QED）的理想实验室，因为它不像氢原子那样受到复杂的原子核结构的干扰。

然而，正电子偶极难处理。它的寿命转瞬即逝：实验中使用的“正正电子偶”状态在真空中仅存在约 142 纳秒便会湮灭成伽马射线。

2. 实验突破：精度与相干性

几十年来，观测正电子偶衍射一直是物理学界的“圣杯”，主要面临两大障碍：如何产生能量可调且高度相干的正电子偶束流。

“光剥离”法（Photodetachment）

永岛教授的团队采用了创新方法来克服这些挑战。他们首先产生了正电子偶负离子（Ps-）——这是一种由两个电子结合一个正电子组成的稀有状态。由于负离子带电，可以使用电场轻松地将其加速并引导至特定能量（最高达3.3 keV）。

为了将这些离子转化为中性束流，研究人员使用高强度脉冲激光剥离多余的电子。这一过程产生的正电子偶原子保持了与离子完全相同的速度，且具有极窄的能量分布和极高的空间相干性。

石墨烯：终极光栅

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团队将这束正电子偶射向单层或多层石墨烯靶材。石墨烯的原子晶格充当了完美的天然衍射光栅。由于在该能量下，正电子偶的德布罗意波长（~0.02nm）与石墨烯中碳原子的间距相匹配，观测干涉现象成为了可能。

3. 核心发现：单一量子实体

实验结果为物理学的一个基本问题提供了决定性答案：正电子偶是作为两个独立的粒子发生衍射，还是作为一个整体结合系统发生衍射？

一级衍射峰 研究人员在距离束流中心预期位置处观测到了清晰的一级衍射峰（3.3 keV 时为 8.4 mm，2.3 keV 时为 10 mm）。

束缚态确认：如果电子和正电子是独立衍射的，根据德布罗意公式（λ = h/p），由于单个粒子的动量较小，其波长会更长，衍射图案的间距将几乎翻倍。实验观测到的图案证实了正电子偶是作为一个单一量子实体进行运动和相干干涉的。

4. 为什么这很重要：物理学的未来

观测到正电子偶衍射不仅仅是量子力学的又一次“例行验证”，它为以下革命性应用奠定了基础：

反物质引力：由于正电子偶呈中性且其波动性已获证实，它可用于干涉测量法，以前所未有的精度测量地球引力对反物质的作用。

表面科学：正电子偶对材料的最顶层极度敏感。它可用于探测绝缘体和磁性材料的结构，而不会产生困扰电子束的电荷积累效应。

玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）：证明物质波的相干性是创建正电子偶 BEC的关键一步，这最终可能导致首个湮灭伽马射线激光器的诞生。

结语

这篇论文连接了量子力学的理论美感与反物质物理的实践挑战。正如百年前德布罗意预言万物皆有波动，永岛教授团队的发现让我们看到，即使是注定湮灭的物质与反物质，在它们存在的短暂瞬间，依然遵循着宇宙最核心的量子旋律。这场“量子圆舞曲”的成功观测，标志着我们从“观察反物质”跨越到了“操纵反物质波”的新纪元。