Позитронийдегі толқындық интерференцияны зерттеу

Кванттық физикадағы жаңа бақылау

Алғаш рет материя мен антиматериядан тұратын атом — позитронийде толқындық интерференция тіркелді. Бұл нәтиже позитронийдің кванттық табиғатын растап, антиматерия мен гравитацияға қатысты болашақ зерттеулерге жол ашады.

Кванттық дуализм және екі саңылау тәжірибесі

Кванттық физиканың классикалық физикадан басты айырмашылығы — микродеңгейде материяның толқын мен бөлшек қасиеттерін қатар көрсетуі. Екі саңылау тәжірибесінде электрондар тар саңылаулардан өткенде детекторда жарық және қараңғы жолақтар пайда болады, бұл олардың толқындық мінезін дәлелдейді. Кейінірек осындай құбылыстар нейтрондарда, гелий атомдарында және ірі молекулаларда да байқалды, бұл материя дифракциясын кванттық механиканың негізгі қағидатына айналдырды. Алайда, жақында ғана бұл құбылыс позитроний үшін де дәлелденді.

Позитронийдің ерекшеліктері

Позитроний — электрон мен позитроннан тұратын, ортақ масса ортасын айналып қозғалатын қысқа өмір сүретін жүйе. Екі бөлшектің массасының теңдігі позитронийді дифракциялық тор арқылы өткенде оның мінезін зерттеуге ерекше мүмкіндік береді.

Эксперименттік жүзеге асыру

Ғалымдар тобы алғаш рет позитроний шоғында материя дифракциясын көрсетті. Қолданылған шоғыр қажетті энергия мен когеренттілікке ие болып, айқын интерференциялық әсерлерді байқауға мүмкіндік берді. Эксперимент нәтижелері толқын-бөлшек дуализмінің ерекше жүйеде де бар екенін дәлелдеді.

Бұл жетістік жоғары бақыланатын позитроний шоғырын жасаудың арқасында мүмкін болды. Алдымен теріс зарядталған позитроний иондары алынды, кейін лазерлік импульспен артық электрон жойылып, жылдам, бейтарап және когерентті позитроний атомдарының ағыны алынды.

Эксперимент барысы

Шоғыр графен қабатына бағытталды, оның атомаралық қашықтығы таңдалған энергиядағы позитронийдің де Бройль толқын ұзындығына сәйкес келді. Екі немесе үш қабатты графеннен өткен позитроний атомдарының бір бөлігі детекторлармен тіркелді. Өлшеулер айқын дифракциялық суретті көрсетті, бұл толқындық мінезді растады.

Техникалық артықшылықтар

Бұрынғы әдістерден айырмашылығы, жаңа тәсіл позитроний шоғырларын жоғары энергиямен (3,3 кэВ-қа дейін), тар энергетикалық спектрмен және жоғары бағыттылықпен алуға мүмкіндік береді. Эксперименттің аса жоғары вакуумда өтуі графен бетінің тазалығын қамтамасыз етіп, дифракциялық суретті анық көруге жол ашты.

Позитронийдің кванттық мінезі

Нәтижелер позитронийдің екі бөлшектен тұрса да, біртұтас кванттық объект ретінде әрекет ететінін көрсетті. Электрон мен позитрон жеке-жеке емес, бірге бір толқын ретінде дифрагирлейді. Қосымша тексерулер позитронийдің жалғыз бөлшек секілді интерференция тудыратынын, яғни оның біртұтас кванттық жүйе ретінде жұмыс істейтінін дәлелдеді.

Болашағы және практикалық қолданылуы

Позитроний дифракциясы материалдар беттерін зақымдамай зерттеуге мүмкіндік береді, себебі позитроний электр зарядына ие емес. Бұл әсіресе оқшаулағыштар мен магниттік материалдарды зерттеуде маңызды, өйткені олар зарядталған бөлшектер шоғырларымен жұмыс істеуді қиындатады.

Болашақта позитроний интерференциясын зерттеу антиматерияның гравитациямен қалай әрекеттесетінін тексеруге мүмкіндік береді. Бұл сұрақ әлі ашық, себебі тікелей өлшеулер тіпті электрондар үшін де жүргізілген жоқ.