Графен и лазеры против законов физики. Ученые увидели то, что долго считалось невозможным

Антиматерия снова напомнила, что в микромире здравый смысл часто бессилен: то, что мы привыкли считать частицей, при определенных условиях ведет себя как волна. Именно так появилась одна из самых известных идей квантовой физики, волново-частичный дуализм, когда один и тот же объект может давать «волновую» интерференцию. Это хорошо видно в знаменитом опыте с двумя щелями: если пропускать электроны через две узкие прорези, на экране получается не просто две полосы попаданий, а характерный рисунок интерференции, как у волн.

За десятилетия похожие эффекты наблюдали у нейтронов, атомов гелия и даже у крупных молекул, так что дифракция материи стала одним из базовых экспериментальных подтверждений квантовой механики. Но оставалась заметная «дыра» в списке: позитроний. Это необычная, очень недолговечная «атомоподобная» система из электрона и его антиматериальной пары, позитрона. Оба компонента имеют одинаковую массу, и пока позитроний не аннигилировал, в вакууме он ведет себя как нейтральный объект. Из-за короткой жизни и сложности получить достаточно «стройный» и когерентный пучок (то есть такой, который способен давать стабильную интерференцию) увидеть его волновое поведение долго не удавалось.

Теперь исследователи из Tokyo University of Science под руководством профессора Ясуюки Наґасимы сообщили о первом прямом наблюдении дифракции пучка позитрония, то есть о том самом волновом рисунке, который появляется, когда «частицы» проходят через подходящую структуру. «Позитроний - самый простой “атом”, составленный из равномассных компонентов. И впервые мы наблюдали квантовую интерференцию пучка позитрония, что может проложить путь к новым исследованиям фундаментальной физики с его использованием», отметил Наґасима.

Ключом к результату стал источник качественного пучка. Сначала команда получила отрицательно заряженные ионы позитрония, а затем точно синхронизированным лазерным импульсом «сняла» лишний электрон. Так появился быстрый нейтральный пучок позитрония, пригодный для интерференционных экспериментов. Его направили на сверхтонкую мишень из графена толщиной всего в два-три атомных слоя. Расстояния между атомами углерода в решетке графена хорошо соотнеслись с длиной волны де Бройля позитрония при выбранных энергиях (упрощенно, это «квантовая длина волны» движущегося объекта), поэтому графен оказался удобной «дифракционной решеткой».

Когда позитроний проходил через графеновую пленку, часть пучка пролетала дальше и фиксировалась позиционно-чувствительным детектором. По распределению попаданий исследователи увидели отчетливую картину дифракции, то есть прямое подтверждение волновой природы позитрония. Важный нюанс в том, что команда также показала: позитроний дифрагирует как единый квантовый объект, а не как два независимых компонента, электрон и позитрон. Иначе говоря, связанная система ведет себя когерентно, как одно целое, несмотря на составность. «Это важнейший экспериментальный рубеж. Он не только демонстрирует волновую природу позитрония как связанной лептон-анти лептонной системы, но и открывает путь к прецизионным измерениям с использованием позитрония», подчеркнул доктор Юго Наґата.

По словам авторов, по сравнению с прежними подходами им удалось получить более высокие энергии пучка, до 3,3 кэВ, более узкое распределение энергий и лучшую направленность. Эксперимент проводили в сверхвысоком вакууме, чтобы сохранять чистоту поверхности графена и стабильно воспроизводить условия, от которых зависит качество дифракционной картины.

Практический смысл у такого результата тоже просматривается. Поскольку позитроний электрически нейтрален, в перспективе он может стать инструментом более «бережного» зондирования чувствительных материалов, например диэлектриков или магнитных поверхностей, где заряженные частицы легко вносят помехи и повреждения. А в более дальнем горизонте метод может помочь продвигаться в прецизионных экспериментах с антиматерией, включая проверки того, как она ведет себя в гравитационном поле, где прямых измерений до сих пор заметно меньше, чем хотелось бы физикам.