東京理科大学の研究チームは、電子とその反粒子である陽電子で構成されるエキゾチック原子、ポジトロニウムにおいて物質波の回折を実証した。これは、こうしたシステムにおける量子干渉の初の観測となる。Nature Communications誌に掲載されたこの研究結果は、ポジトロニウムの粒子と波の二重性を裏付けるものだ。
東京理科大学の永島康之教授、永田裕吾准教授、三上理貴博士を中心とする研究チームは、高品質なポジトロニウム原子ビームの生成に成功した。研究チームは負に帯電したポジトロニウムイオンを生成し、レーザーパルスを用いて余分な電子を取り除くことで、高速かつ中性でコヒーレントなビームを作り出した。この最大3.3 keVのエネルギーを持つビームを超高真空環境下で薄いグラフェンシートに照射したところ、一部のポジトロニウム原子がシートを通過し、検出器上に鮮明な回折パターンを形成した。これは電子と陽電子が個別の粒子としてではなく、統一された量子オブジェクトとして波のような干渉を起こしたことを示している。グラフェンの原子間隔がポジトロニウムのド・ブロイ波長と一致したことで、これまで電子、中性子、あるいはより大きな分子では観測されていたものの、ポジトロニウムでは未確認だったこの量子効果の観測が可能となった。ポジトロニウムは短時間で自己消滅するが、それまでは中性原子として振る舞うため、こうした研究には最適である。今回の実験ではビームのエネルギー、方向、コヒーレンスを精密に制御したことで、従来の手法よりも鮮明な結果が得られた。永島教授は「ポジトロニウムビームの量子干渉を初めて観測したことにより、ポジトロニウムを用いた基礎物理学の新たな研究への道が開かれる」と述べている。また、永田准教授は「これは束縛されたレプトン・反レプトン系としてのポジトロニウムの波としての性質を実証しただけでなく、ポジトロニウムを関与させる精密測定の新たな道筋を切り拓くものだ」と付け加えた。この画期的な成果は、電荷中性のポジトロニウムを用いた絶縁体や磁性材料の非破壊表面分析や、いまだ直接測定されていない反物質の重力に対する反応を検証する将来の実験を可能にする可能性がある。
