Um dos avanços decisivos que diferenciaram a física quântica da física clássica foi a constatação de que a matéria se comporta de maneira muito diferente em escalas extremamente pequenas. Uma das descobertas mais importantes é a dualidade onda-partícula, a ideia de que as partículas também podem agir como ondas.
Este conceito tornou-se amplamente conhecido através do experimento da dupla fenda. Quando os elétrons são disparados através de duas aberturas estreitas, eles criam um padrão alternado de faixas claras e escuras no detector. Este padrão mostra que cada elétron se comporta como uma onda, com sua função de onda quântica passando por ambas as fendas simultaneamente e interferindo consigo mesma. Mais tarde, os cientistas confirmaram esse efeito usando nêutrons, átomos de hélio e moléculas ainda maiores, estabelecendo a difração de ondas de matéria como um princípio fundamental da mecânica quântica. No entanto, apesar destes avanços, este fenómeno não foi observado diretamente no positrónio. Um pósitron é um sistema de dois corpos de vida curta que consiste em um elétron e um pósitron ligados entre si e orbitando um centro de massa compartilhado. Como ambos os componentes têm a mesma massa, os pesquisadores há muito tentam entender como tal sistema se comportaria ao formar um feixe e sofrer difração.
Primeira observação do comportamento das ondas de pósitrons
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yasuyuki Nagashima e acompanhada pelo professor associado Yugo Nagata e pelo Dr. Riki Mikami da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, alcançou agora esse objetivo. Eles demonstraram com sucesso a difração de ondas de matéria em um feixe de pósitrons. Os feixes utilizados em seus experimentos tinham a faixa de energia e a coerência necessárias para produzir efeitos de interferência significativos. Seus resultados foram publicados em comunicações da naturezafornece novas e poderosas evidências da dualidade onda-partícula em sistemas incomuns.
“Os pósitrons são os átomos mais simples compostos de componentes de massa igual e, antes de se aniquilarem, comportam-se como átomos neutros no vácuo. Agora, pela primeira vez, observamos interferência quântica de feixes de pósitrons, o que poderia abrir caminho para novas pesquisas em física fundamental usando pósitrons, “disse o professor Nagashima.
Crie feixes de pósitrons de alta qualidade
A descoberta depende da produção de um feixe de pósitrons altamente controlado. Para fazer isso, os pesquisadores primeiro geraram íons pósitrons com carga negativa. Eles então usaram pulsos de laser precisamente cronometrados para remover o excesso de elétrons, criando um fluxo de átomos de pósitrons em movimento rápido, neutros e coerentes.
Este feixe é direcionado para um pedaço de grafeno. O espaçamento entre os átomos do grafeno corresponde ao comprimento de onda de Broglie do positrônio nas energias usadas no experimento. À medida que os átomos de pósitrons passam por duas a três folhas de grafeno, alguns deles passam e são detectados. As medições resultantes revelaram padrões de difração únicos, confirmando o comportamento ondulatório.
Padrões de difração claros e comportamento quântico
Comparado com tecnologias anteriores, este método produz feixes de pósitrons de maior energia, de até 3,3 keV. Ele também fornece uma distribuição de energia mais estreita e um feixe direcionado de forma mais estreita. A realização de experimentos em ultra-alto vácuo mantém a superfície do grafeno limpa, permitindo que os padrões de difração sejam observados com mais clareza.
Os resultados mostram que embora o positrônio seja composto por duas partículas, ele se comporta como um único objeto quântico. Elétrons e pósitrons não difratam individualmente, mas agem juntos como uma onda.
“Este marco experimental inovador marca um grande avanço na física fundamental. Ele não apenas demonstra a natureza ondulatória dos pósitrons como um sistema lépton-antilepton ligado (um sistema que se comporta como pequenos átomos), mas também abre o caminho para medições precisas envolvendo pósitrons, “disse o Dr.
A equipe também investigou se o positrônio interfere como uma única partícula, como um elétron. Suas descobertas confirmam isso e reforçam a ideia de que funciona como uma entidade quântica unificada.
Aplicações futuras da ciência dos materiais e pesquisa de antimatéria
Além de confirmar suas propriedades quânticas, a difração de pósitrons também poderia levar a aplicações práticas. Como o positrônio não possui carga elétrica, ele pode ser usado para analisar superfícies de materiais sem causar danos. Isto o torna particularmente valioso para o estudo de isoladores ou materiais magnéticos que podem interferir nos feixes de partículas carregadas.
No futuro, experimentos envolvendo interferência de pósitrons também poderão permitir testar como a antimatéria responde à gravidade. Esta permanece uma questão em aberto porque as medições diretas ainda não foram alcançadas, mesmo para os elétrons.
Sobre o professor Yasuyuki Nagashima da Universidade de Ciências de Tóquio
Yasuyuki Nagashima é professor do Departamento de Física da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, com especialização em pósitrons e física de pósitrons. Sua pesquisa se concentra nas propriedades de íons negativos de pósitrons e feixes de pósitrons. Ele também estudou a dessorção de íons de superfícies sólidas causada pela aniquilação de pósitrons. Em 2020, recebeu o Prêmio Memorial Takuma Hiroshi da Fundação Matsuo. Seu laboratório conduz pesquisas fundamentais sobre a interação de partículas exóticas com a matéria, ao mesmo tempo que desenvolve novas técnicas experimentais baseadas em pósitrons para física aplicada.
Sobre o professor associado Yugo Nagata da Universidade de Ciências de Tóquio
Dr. Yugo Nagata é professor associado do Departamento de Física da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, especializado em pósitrons e física atômica. Em 2023, ele ganhou o Prêmio Jovem Cientista da Sociedade Japonesa de Positrônica.
Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI (números de concessão JP25H00620, JP21H04457 e JP17H01074).
