Una delle scoperte fondamentali che hanno distinto la fisica quantistica dalla fisica classica è stata la comprensione del fatto che la materia si comporta in modo molto diverso su scale estremamente ridotte. Tra le scoperte più importanti vi è la dualità onda-particella, ovvero l’idea che le particelle possano comportarsi anche come onde.
Questo concetto divenne ampiamente noto grazie all’esperimento della doppia fenditura. Quando gli elettroni venivano sparati attraverso due strette aperture, producevano un modello di bande chiare e scure alternate su un rivelatore. Questo modello rivelò che ogni elettrone si comportava come un’onda, con la sua funzione d’onda quantistica che attraversava entrambe le fenditure contemporaneamente e interferiva con se stessa. Gli scienziati confermarono in seguito questo effetto con neutroni, atomi di elio e persino molecole più grandi, stabilendo la diffrazione delle onde di materia come principio chiave della meccanica quantistica. Tuttavia, nonostante questi progressi, questo fenomeno non era stato osservato direttamente nel positronio. Il positronio è un sistema a due corpi di breve durata, composto da un elettrone e un positrone legati insieme e in orbita attorno a un centro di massa comune. Poiché entrambi i componenti hanno massa uguale, i ricercatori hanno a lungo cercato di capire come un tale sistema si comporterebbe quando forma un fascio e subisce la diffrazione.
Prima osservazione del comportamento ondulatorio del positronio
Un team di ricerca dell’Università di Scienze di Tokyo, in Giappone, guidato dal professor Yasuyuki Nagashima e con la collaborazione del professore associato Yugo Nagata e del dottor Riki Mikami, ha ora raggiunto questo obiettivo. Hanno dimostrato con successo la diffrazione delle onde di materia in un fascio di positronio. Il fascio utilizzato nel loro esperimento aveva la gamma di energia e la coerenza necessarie per produrre chiari effetti di interferenza. I loro risultati, pubblicati su Nature Communications , forniscono una nuova e solida prova della dualità onda-particella in un sistema insolito.
“Il positronio è l’atomo più semplice, composto da elementi di massa uguale, e finché non si auto-annichila, si comporta come un atomo neutro nel vuoto. Ora, per la prima volta, abbiamo osservato l’interferenza quantistica di un fascio di positronio, che può aprire la strada a nuove ricerche nella fisica fondamentale che utilizzano il positronio”, afferma il Prof. Nagashima.
Creazione di un fascio di positronio di alta qualità
La svolta si è basata sulla produzione di un fascio di positronio altamente controllato. Per fare ciò, i ricercatori hanno innanzitutto generato ioni di positronio caricati negativamente. Hanno quindi utilizzato un impulso laser temporizzato con precisione per rimuovere un elettrone in eccesso, ottenendo così un flusso di atomi di positronio neutri, coerenti e in rapido movimento.
Questo fascio è stato diretto verso un foglio di grafene. La distanza tra gli atomi nel grafene corrispondeva strettamente alla lunghezza d’onda di de Broglie del positronio alle energie utilizzate nell’esperimento. Quando gli atomi di positronio hanno attraversato il foglio di grafene, composto da due o tre strati, alcuni di essi sono riusciti a penetrarlo e sono stati rilevati. Le misurazioni risultanti hanno rivelato un distinto schema di diffrazione, confermando un comportamento ondulatorio.
Figure di diffrazione chiare e comportamento quantistico
Rispetto alle tecniche precedenti, questo metodo produce fasci di positronio con energie più elevate, fino a 3,3 keV. Offre inoltre una distribuzione energetica più ristretta e un fascio più direzionato. Condurre l’esperimento in condizioni di ultra-alto vuoto ha mantenuto pulita la superficie del grafene, consentendo di osservare il pattern di diffrazione con maggiore chiarezza.
I risultati hanno dimostrato che, sebbene il positronio sia costituito da due particelle, si comporta come un singolo oggetto quantistico. L’elettrone e il positrone non diffrangono separatamente, ma agiscono insieme come un’unica onda.
“Questo traguardo sperimentale rivoluzionario segna un importante progresso nella fisica fondamentale. Non solo dimostra la natura ondulatoria del positronio come sistema leptone-antileptone legato (un sistema che si comporta come un minuscolo atomo), ma apre anche la strada a misurazioni di precisione che coinvolgono il positronio”, afferma il dottor Nagata.
Il team ha anche studiato se il positronio producesse interferenze nello stesso modo di una singola particella come un elettrone. I loro risultati hanno confermato che ciò avviene, rafforzando l’idea che funzioni come un’entità quantistica unificata.
Applicazioni future nella scienza dei materiali e nella ricerca sull’antimateria
Oltre a confermare le sue proprietà quantistiche, la diffrazione del positronio potrebbe portare ad applicazioni pratiche. Poiché il positronio non possiede carica elettrica, può essere utile per analizzare le superfici dei materiali senza causarne danni. Ciò lo rende particolarmente prezioso per lo studio di materiali isolanti o magnetici che possono interferire con fasci di particelle cariche.
Guardando al futuro, esperimenti che coinvolgono l’interferenza del positronio potrebbero anche consentire di testare come l’antimateria reagisce alla gravità. Questa rimane una questione aperta, poiché non sono ancora state effettuate misurazioni dirette, nemmeno per gli elettroni.
Informazioni sul professor Yasuyuki Nagashima dell’Università di Scienze di Tokyo.
Il Dott. Yasuyuki Nagashima è Professore presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Scienze di Tokyo, in Giappone, specializzato in fisica dei positroni e del positronio. La sua ricerca si concentra sulle proprietà degli ioni negativi del positronio e del fascio di positronio. Studia anche il desorbimento ionico indotto dall’annichilazione dei positroni da superfici solide. Nel 2020 ha ricevuto il Premio commemorativo Hiroshi Takuma dalla Fondazione Matsuo. Il suo laboratorio conduce ricerche fondamentali sulle interazioni esotiche particella-materia, sviluppando al contempo nuove tecniche sperimentali basate sui positroni per la fisica applicata.
Informazioni sul professore associato Yugo Nagata dell’Università di Scienze di Tokyo.
Il dottor Yugo Nagata è professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Scienze di Tokyo, in Giappone, specializzato in fisica del positronio e fisica atomica. Nel 2023 ha ricevuto il premio “Giovane Scienziato” dalla Società Giapponese di Scienze del Positrone.
Questo lavoro è stato finanziato da JSPS KAKENHI (sovvenzioni n. JP25H00620, JP21H04457 e JP17H01074).
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