Uno de los avances definitorios que distingue la física cuántica de la física clásica es la comprensión de que la materia se comporta de manera muy diferente en escalas extremadamente pequeñas. Entre los descubrimientos más importantes se encuentra la dualidad onda-partícula, la idea de que las partículas también pueden actuar como ondas.
Este concepto se hizo ampliamente conocido gracias al experimento de la doble rendija. Cuando se dispararon electrones a través de dos aberturas estrechas, produjeron un patrón de bandas alternas de luz y oscuridad en un detector. Este patrón reveló que cada electrón se comporta como una onda, y su función de onda cuántica pasa a través de ambas rendijas simultáneamente e interfiere consigo misma. Posteriormente, los científicos confirmaron este efecto con neutrones, átomos de helio e incluso moléculas más grandes, estableciendo la dispersión de ondas de materia como un principio clave de la mecánica cuántica. Sin embargo, a pesar de estos avances, este fenómeno no se ha observado directamente en el positronio. El positronio es un sistema de dos cuerpos de vida corta que consta de un electrón y un positrón unidos y orbitando un centro de masa compartido. Debido a que ambos elementos tienen la misma masa, los investigadores han tratado durante mucho tiempo de comprender cómo se comportaría dicho sistema durante la formación y dispersión del haz.
Primera observación del comportamiento de las ondas de positronio
Un equipo de investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio de Japón, dirigido por el profesor Yasuyuki Nagashima y acompañado por el profesor asociado Yugo Nagata y el Dr. Riki Mikami, ha logrado ese objetivo. Demostraron con éxito la dispersión de ondas de materia en un haz de positronio. El haz utilizado en sus experimentos tenía el rango de energía y la coherencia necesarios para producir un efecto de interferencia claro. Sus resultados, publicados comunicación de la naturalezaproporciona nuevas pruebas contundentes de la dualidad onda-partícula en un sistema inusual.
“El positronio es el átomo más simple compuesto de elementos de igual masa y, hasta que se autoaniquila, se comporta como un átomo neutro en el vacío. Ahora, por primera vez, hemos observado la interferencia cuántica de un haz de positronio, lo que podría allanar el camino para nuevas investigaciones en la física del proposituronio utilizando la física fundamental”.
Creando un haz de positronio de alta calidad
El progreso depende de la producción de un haz de positronio altamente controlado. Para ello, los investigadores primero crearon iones de positronio cargados negativamente. Luego utilizaron un pulso láser sincronizado con precisión para eliminar un electrón extra, creando una corriente de átomos de positronio coherente, neutra y de rápido movimiento.
Este rayo se dirigió a una lámina de grafeno. El espacio entre los átomos de grafeno coincide estrechamente con la longitud de onda de De Broglie del positronio en las energías utilizadas en el experimento. A medida que los átomos de positronio pasan a través de las láminas de grafeno de dos o tres capas, algunos de ellos lo logran y son detectados. Las mediciones resultantes revelaron un patrón de difracción distinto, lo que confirma el comportamiento ondulatorio.
Patrones de difracción claros y comportamiento cuántico
En comparación con técnicas anteriores, este método produce haces de positronio con energías más altas que alcanzan hasta 3,3 keV. Esto proporciona una distribución de energía más estrecha y un haz más dirigido. Realizar el experimento en un vacío ultraalto mantiene limpia la superficie del grafeno, lo que permite observar más claramente el patrón de difracción.
Los resultados muestran que, aunque el positronio consta de dos partículas, se comporta como un único objeto cuántico. Los electrones y positrones no se dispersan por separado sino que actúan juntos como una onda.
“Este innovador hito experimental marca un avance importante en la física fundamental. No sólo demuestra la naturaleza ondulatoria del positronio como un sistema leptón-antileptón unido (un sistema que se comporta como un átomo diminuto), sino que también allana el camino para mediciones de precisión que involucran al positronio”, afirmó el Dr. Nagata.
El equipo también investigó si el positronio produciría interferencias del mismo modo que una sola partícula, como un electrón. Sus hallazgos confirmaron que sí, reforzando la idea de que actúa como una entidad cuántica unificada.
Aplicaciones futuras en ciencia de materiales e investigación de antimateria.
Además de confirmar sus propiedades cuánticas, la dispersión de positronio puede tener aplicaciones prácticas. Como el positronio no lleva carga eléctrica, puede resultar útil para analizar superficies de materiales sin dañarlos. Esto lo hace particularmente valioso para estudiar aisladores o materiales magnéticos que pueden interferir con haces de partículas cargadas.
De cara al futuro, los experimentos con interferencia de positronio también podrían permitir probar cómo responde la antimateria a la gravedad. Esta sigue siendo una cuestión abierta, ya que aún no se han logrado mediciones directas, ni siquiera para los electrones.
Acerca del profesor Yasuyuki Nagashima de la Universidad de Ciencias de Tokio
El Dr. Yasuyuki Nagashima es profesor del Departamento de Física de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, y se especializa en física de positrones y positronio. Su investigación se centró en las propiedades de los iones negativos de positronio y los haces de positronio. También estudió la absorción de iones inducida por la aniquilación de positrones de superficies sólidas. En 2020, recibió el Premio en Memoria de Hiroshi Takuma de la Fundación Matsuo. Su laboratorio lleva a cabo investigaciones fundamentales sobre interacciones exóticas entre partículas y materia mientras desarrolla nuevas técnicas experimentales basadas en positrones para la física aplicada.
Acerca del profesor asociado Yugo Nagata de la Universidad de Ciencias de Tokio
El Dr. Yugo Nagata es profesor asociado en el Departamento de Física de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, y se especializa en positronio y física nuclear. En 2023, recibió el Premio Joven Científico de la Sociedad Japonesa de Ciencias de Positrones.
Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI (Subvenciones Nos. JP25H00620, JP21H04457 y JP17H01074).
