Um dos avanços decisivos que distinguiram a física quântica da física clássica foi a constatação de que a matéria se comporta de maneira muito diferente em escalas muito pequenas. Entre as descobertas mais importantes estava 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 foram liberados através de dois orifícios estreitos, eles criaram um padrão alternado de faixas claras e escuras no detector. Este modelo mostrou que cada elétron se comportava como uma onda, sua função de onda quântica passando por ambas as fendas simultaneamente e interferindo consigo mesma. Mais tarde, os cientistas confirmaram esse efeito com 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. O positrônio 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 comum. Como ambos os componentes têm a mesma massa, os pesquisadores há muito procuram entender como tal sistema se comportaria ao formar um feixe e sofrer difração.
Primeira observação do comportamento das ondas de positrônio
Uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, liderada pelo Prof. Yasuyuki Nagashima e acompanhada pelo Professor Associado Yugo Nagata e pelo Dr. Eles demonstraram com sucesso a difração de ondas de matéria em um feixe de positrônio. O feixe utilizado em seu experimento tinha a faixa de energia e coerência necessárias para produzir efeitos de interferência aparentes. Seus resultados, publicados em Comunicações da naturezafornecem novas e fortes evidências do dualismo onda-partícula em um sistema incomum.
“O positrônio é o átomo mais simples, consistindo de componentes de massa igual, e até se autoaniquilar, ele se comporta como um átomo neutro no vácuo. Agora, pela primeira vez, observamos a interferência quântica de um feixe de positrônio, o que pode abrir caminho para novas pesquisas em física fundamental usando positrônio, “diz o professor Nagashima.
Criando um feixe de positrônio de alta qualidade
A descoberta baseou-se na criação de um feixe de positrônio muito controlado. Para fazer isso, os pesquisadores primeiro criaram íons de positrônio com carga negativa. Eles então usaram um pulso de laser precisamente cronometrado para remover o excesso de elétrons, resultando em um fluxo rápido, neutro e coerente de átomos de positrônio.
Este feixe foi direcionado para a folha de grafeno. O espaçamento entre os átomos do grafeno correspondia intimamente ao comprimento de onda de De Broglie do positrônio nas energias usadas no experimento. Quando os átomos de positrônio passaram através de uma folha de grafeno de duas ou três camadas, alguns deles romperam e foram detectados. As medições resultantes revelaram um padrão de difração claro, confirmando o comportamento ondulatório.
Padrões de difração distintos e comportamento quântico
Comparado aos métodos anteriores, este método produz feixes de positrônio com maior energia, atingindo até 3,3 keV. Ele também fornece uma distribuição mais estreita de energias e um feixe mais focado. A condução do experimento em ultra-alto vácuo manteve a superfície do grafeno limpa, permitindo que o padrão de difração fosse observado mais claramente.
Os resultados mostraram que embora o positrônio seja composto por duas partículas, ele se comporta como um único objeto quântico. O elétron e o pósitron não difratam separadamente, mas agem juntos como uma onda.
“Este marco experimental inovador marca um grande avanço na física fundamental. Ele não apenas demonstra a natureza ondulatória do positrônio como um sistema acoplado lépton-anti-lépton (um sistema que se comporta como um átomo minúsculo), mas também abre o caminho para medições precisas envolvendo positrônio”, diz o Dr.
A equipe também investigou se o positrônio criaria interferência da mesma forma que uma partícula individual, como um elétron. Suas descobertas confirmaram que este é o caso, reforçando a ideia de que funciona como uma entidade quântica única.
Aplicações futuras em ciência de materiais e pesquisa de antimatéria
Além de confirmar suas propriedades quânticas, a difração de positrônio pode levar a aplicações práticas. Como o positrônio não carrega carga elétrica, pode ser útil para analisar superfícies de materiais sem causar danos. Isto o torna particularmente valioso para o estudo de isoladores ou materiais magnéticos que podem interferir em feixes de partículas carregadas.
No futuro, os experimentos de interferência de positrônio também poderão testar como a antimatéria responde à gravidade. Esta permanece uma questão em aberto, uma vez que medições diretas ainda não foram alcançadas, mesmo para os elétrons.
Sobre o professor Yasuyuki Nagashima da Universidade de Ciências de Tóquio
Dr. Yasuyuki Nagashima é professor do Departamento de Física da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, especializado em física de pósitrons e pósitrônios. Sua pesquisa se concentra nas propriedades dos íons negativos de positrônio e do feixe de positrônio. Ele também estuda a dessorção de íons de superfícies sólidas causada pela aniquilação de pósitrons. Em 2020, recebeu o Prêmio Memorial Hiroshi Takuma da Fundação Matsuo. Seu laboratório conduz pesquisas fundamentais sobre interações exóticas entre partículas e matéria, ao mesmo tempo em que desenvolve novas técnicas experimentais baseadas em pósitrons para física aplicada.
Sobre o professor associado Yugo Nagata da Universidade de Ciências de Tóquio
Yuga Nagata é professor associado do Departamento de Física da Universidade de Ciências de Tóquio, no Japão, com especialização em positrônica e física atômica. Em 2023, ele recebeu o Prêmio Jovem Cientista da Sociedade Japonesa de Ciência de Pósitrons.
Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI (Grant Nos. JP25H00620, JP21H04457 e JP17H01074).
