Wissenschaftler haben die erste experimentelle Beobachtung der Beugung von Materiewellen in einem kurzlebigen Elektron-Positron gemachtAtom.
Eine entscheidende Erkenntnis, die die Quantenphysik von der klassischen Physik unterscheidet, ist, dass sich Materie auf sehr kleinen Skalen auf unerwartete Weise verhält. Eine der wichtigsten Ideen war der Welle-Teilchen-Dualismus, der zeigt, dass Teilchen auch wie Wellen wirken können.
Dieses Verhalten konnte erstmals im Doppelspaltexperiment deutlich nachgewiesen werden. Als Elektronen durch zwei schmale Öffnungen gelangten, bildeten sie auf einem Detektor ein Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Bändern. Dieses Muster zeigte, dass jedes Elektron wie eine Welle wirkte, wobei seine Quantenwellenfunktion durch beide Schlitze ging und sich selbst störte.
Ähnliche Ergebnisse wurden später bei Neutronen, Heliumatomen und sogar großen Molekülen beobachtet, was die Beugung von Materiewellen als grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik begründete. Allerdings wurde dieser Effekt bei Positronium, einem kurzlebigen System aus einem Elektron und einem Positron, die miteinander verbunden sind und ein gemeinsames Zentrum umkreisen, nicht direkt beobachtet.
Da beide Teilchen die gleiche Masse haben, wollten Wissenschaftler schon lange verstehen, wie sich ein solches System bei Beugung verhält.
Physiker beobachten Wellenverhalten in Antimaterie-Atomen
Aufbauend auf dieser Herausforderung haben Forscher der Tokyo University of Science in Japan unter der Leitung von Professor Yasuyuki Nagashima zusammen mit außerordentlichem Professor Yugo Nagata und Dr. Riki Mikami nun die Beugung von Materiewellen in Positronium nachgewiesen. Der in ihrem Experiment verwendete Strahl hatte die notwendige Kohärenz und Energievariation, um Interferenzeffekte aufzudecken. Die Ergebnisse, veröffentlicht inNaturkommunikationliefern eine neue Bestätigung der Welle-Teilchen-Dualität.
„Positronium ist das einfachste Atom, das aus Bestandteilen gleicher Masse besteht, und bis zu seiner Selbstvernichtung verhält es sich im Vakuum wie ein neutrales Atom. Jetzt haben wir zum ersten Mal Quanteninterferenz eines Positroniumstrahls beobachtet, was den Weg für neue Forschungen in der Grundlagenphysik mit Positronium ebnen kann“, sagt Prof. Nagashima.
Neuer Strahl macht Experimente möglich
Dieser Fortschritt hing von der Erzeugung eines hochkontrollierten Positroniumstrahls ab. Das Team erzeugte zunächst negativ geladene Positroniumionen und entfernte dann mit einem präzise getimten Laserpuls ein zusätzliches Elektron. Dieser Prozess erzeugte einen schnellen, neutralen und wohldefinierten Strahl aus Positroniumatomen.
Der Strahl war auf a gerichtetGraphenZiel, dessen Atomabstand bei den verwendeten Energien der de Broglie-Wellenlänge von Positronium sehr nahe kommt. Als die Atome eine dünne Schicht aus zwei bis drei Schichten Graphen passierten, wurden einige davon durchgelassen und mit einem ortsempfindlichen Detektor erfasst. Das resultierende Signal zeigte ein klares Beugungsmuster.
Im Vergleich zu früheren Techniken erzeugt diese Methode Strahlen mit höheren Energien, die bis zu 3,3 keV erreichen, zusammen mit einer engeren Energieverteilung und einer fokussierteren Flugbahn. Das Experiment wurde auch unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt, was dazu beitrug, eine saubere Graphenoberfläche aufrechtzuerhalten und das Beugungsmuster leichter zu beobachten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Positronium, obwohl es aus zwei Teilchen besteht, wie ein einzelnes Quantengebilde verhält, wobei Elektron und Positron bei der Beugung nicht unabhängig voneinander wirken.
„Dieser bahnbrechende experimentelle Meilenstein stellt einen großen Fortschritt in der Grundlagenphysik dar. Er demonstriert nicht nur die Wellennatur von Positronium als gebundenes Lepton-Antilepton-System (ein System, das sich wie ein winziges Atom verhält), sondern eröffnet auch Wege für Präzisionsmessungen mit Positronium“, sagt Dr. Nagata.
Ungewöhnliches Atom verhält sich wie ein einzelnes Teilchen
Die Forscher untersuchten auch, ob Positronium auf die gleiche Weise Interferenzen erzeugt wie ein einzelnes Teilchen, beispielsweise ein Elektron. Ihre Ergebnisse bestätigen, dass dies der Fall ist, und stellen einen wichtigen Fortschritt beim Verständnis dieses Systems dar.
Zusätzlich zur Bestätigung seines Quantenverhaltens könnte die Positroniumbeugung zu praktischen Anwendungen führen. Da Positronium keine elektrische Ladung trägt, kann es für die zerstörungsfreie und oberflächenempfindliche Analyse von Materialien nützlich sein, einschließlich Isolatoren und magnetischer Oberflächen, die mit geladenen Teilchenstrahlen schwer zu untersuchen sind.
In der Zukunft könnten Experimente mit Positroniuminterferenz es ermöglichen, zu testen, wie Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert. Dies bleibt eine offene Frage, da noch keine direkten Messungen durchgeführt wurden, nicht einmal für Elektronen.
Referenz: „Observation of positronium diffraction“ von Yugo Nagata, Riki Mikami, Nazrene Zafar und Yasuyuki Nagashima, 23. Dezember 2025,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-025-67920-0
Diese Arbeit wurde durch JSPS KAKENHI Grants Nr. JP25H00620, Nr. JP21H04457, Nr. JP17H01074 unterstützt.
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
Wissenschaftler haben die erste experimentelle Beobachtung der Beugung von Materiewellen in einem kurzlebigen Elektron-Positron gemachtAtom.
Eine entscheidende Erkenntnis, die die Quantenphysik von der klassischen Physik unterscheidet, ist, dass sich Materie auf sehr kleinen Skalen auf unerwartete Weise verhält. Eine der wichtigsten Ideen war der Welle-Teilchen-Dualismus, der zeigt, dass Teilchen auch wie Wellen wirken können.
Dieses Verhalten konnte erstmals im Doppelspaltexperiment deutlich nachgewiesen werden. Als Elektronen durch zwei schmale Öffnungen gelangten, bildeten sie auf einem Detektor ein Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Bändern. Dieses Muster zeigte, dass jedes Elektron wie eine Welle wirkte, wobei seine Quantenwellenfunktion durch beide Schlitze ging und sich selbst störte.
Ähnliche Ergebnisse wurden später bei Neutronen, Heliumatomen und sogar großen Molekülen beobachtet, was die Beugung von Materiewellen als grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik begründete. Allerdings wurde dieser Effekt bei Positronium, einem kurzlebigen System aus einem Elektron und einem Positron, die miteinander verbunden sind und ein gemeinsames Zentrum umkreisen, nicht direkt beobachtet.
Da beide Teilchen die gleiche Masse haben, wollten Wissenschaftler schon lange verstehen, wie sich ein solches System bei Beugung verhält.
Physiker beobachten Wellenverhalten in Antimaterie-Atomen
Aufbauend auf dieser Herausforderung haben Forscher der Tokyo University of Science in Japan unter der Leitung von Professor Yasuyuki Nagashima zusammen mit außerordentlichem Professor Yugo Nagata und Dr. Riki Mikami nun die Beugung von Materiewellen in Positronium nachgewiesen. Der in ihrem Experiment verwendete Strahl hatte die notwendige Kohärenz und Energievariation, um Interferenzeffekte aufzudecken. Die Ergebnisse, veröffentlicht inNaturkommunikationliefern eine neue Bestätigung der Welle-Teilchen-Dualität.
„Positronium ist das einfachste Atom, das aus Bestandteilen gleicher Masse besteht, und bis zu seiner Selbstvernichtung verhält es sich im Vakuum wie ein neutrales Atom. Jetzt haben wir zum ersten Mal Quanteninterferenz eines Positroniumstrahls beobachtet, was den Weg für neue Forschungen in der Grundlagenphysik mit Positronium ebnen kann“, sagt Prof. Nagashima.
Neuer Strahl macht Experimente möglich
Dieser Fortschritt hing von der Erzeugung eines hochkontrollierten Positroniumstrahls ab. Das Team erzeugte zunächst negativ geladene Positroniumionen und entfernte dann mit einem präzise getimten Laserpuls ein zusätzliches Elektron. Dieser Prozess erzeugte einen schnellen, neutralen und wohldefinierten Strahl aus Positroniumatomen.
Der Strahl war auf a gerichtetGraphenZiel, dessen Atomabstand bei den verwendeten Energien der de Broglie-Wellenlänge von Positronium sehr nahe kommt. Als die Atome eine dünne Schicht aus zwei bis drei Schichten Graphen passierten, wurden einige davon durchgelassen und mit einem ortsempfindlichen Detektor erfasst. Das resultierende Signal zeigte ein klares Beugungsmuster.
Im Vergleich zu früheren Techniken erzeugt diese Methode Strahlen mit höheren Energien, die bis zu 3,3 keV erreichen, zusammen mit einer engeren Energieverteilung und einer fokussierteren Flugbahn. Das Experiment wurde auch unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt, was dazu beitrug, eine saubere Graphenoberfläche aufrechtzuerhalten und das Beugungsmuster leichter zu beobachten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Positronium, obwohl es aus zwei Teilchen besteht, wie ein einzelnes Quantengebilde verhält, wobei Elektron und Positron bei der Beugung nicht unabhängig voneinander wirken.
„Dieser bahnbrechende experimentelle Meilenstein stellt einen großen Fortschritt in der Grundlagenphysik dar. Er demonstriert nicht nur die Wellennatur von Positronium als gebundenes Lepton-Antilepton-System (ein System, das sich wie ein winziges Atom verhält), sondern eröffnet auch Wege für Präzisionsmessungen mit Positronium“, sagt Dr. Nagata.
Ungewöhnliches Atom verhält sich wie ein einzelnes Teilchen
Die Forscher untersuchten auch, ob Positronium auf die gleiche Weise Interferenzen erzeugt wie ein einzelnes Teilchen, beispielsweise ein Elektron. Ihre Ergebnisse bestätigen, dass dies der Fall ist, und stellen einen wichtigen Fortschritt beim Verständnis dieses Systems dar.
Zusätzlich zur Bestätigung seines Quantenverhaltens könnte die Positroniumbeugung zu praktischen Anwendungen führen. Da Positronium keine elektrische Ladung trägt, kann es für die zerstörungsfreie und oberflächenempfindliche Analyse von Materialien nützlich sein, einschließlich Isolatoren und magnetischer Oberflächen, die mit geladenen Teilchenstrahlen schwer zu untersuchen sind.
In der Zukunft könnten Experimente mit Positroniuminterferenz es ermöglichen, zu testen, wie Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert. Dies bleibt eine offene Frage, da noch keine direkten Messungen durchgeführt wurden, nicht einmal für Elektronen.
Referenz: „Observation of positronium diffraction“ von Yugo Nagata, Riki Mikami, Nazrene Zafar und Yasuyuki Nagashima, 23. Dezember 2025,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-025-67920-0
Diese Arbeit wurde durch JSPS KAKENHI Grants Nr. JP25H00620, Nr. JP21H04457, Nr. JP17H01074 unterstützt.
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
