Observing the positronium beam as a quantum matter wave for the first time
AAAAPremière observation d'un faisceau de positronium sous forme d'onde quantique
Université des Sciences de Tokyo
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
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À l'aide d'un faisceau de positronium hautement cohérent, les chercheurs ont observé des figures de diffraction nettes après sa transmission à travers un film de graphène, confirmant ainsi son comportement ondulatoire. Crédit : Professeur Yasuyuki Nagashima / Université des Sciences de Tokyo, Nature Communications (2025) 10.1038/s41467-025-67920-0
L'une des découvertes qui a fondamentalement distingué le domaine émergent de la physique quantique de la physique classique a été l'observation que la matière se comporte différemment aux plus petites échelles. Une découverte clé a été la dualité onde-corpuscule, la révélation que les particules peuvent présenter des propriétés ondulatoires.
Cette dualité a été démontrée de façon célèbre par l'expérience des fentes de Young. Lorsqu'on projette des électrons à travers deux fentes, on observe sur un détecteur une figure d'interférence composée de franges claires et sombres. Cette figure révèle que chaque électron se comporte comme une onde, sa fonction d'onde quantique traversant les deux fentes et interférant avec elle-même. Ce même phénomène a ensuite été confirmé pour les neutrons, les atomes d'hélium et même de grandes molécules, faisant de la diffraction des ondes de matière un fondement de la mécanique quantique.
Efforts pour observer la diffraction du positronium
Bien que ce phénomène ait été observé dans de nombreux systèmes atomiques, la diffraction des ondes de matière n'a jamais été observée directement dans le positronium. Le positronium est un système à deux corps de courte durée de vie, composé d'un électron et d'un positron liés et orbitant autour de leur centre de masse commun. Les scientifiques tentent donc d'observer la diffraction des faisceaux issus d'un système à deux corps de masses égales.
Dans ce contexte, des chercheurs de l'Université des Sciences de Tokyo, au Japon, dirigés par le professeur Yasuyuki Nagashima, en collaboration avec le professeur associé Yugo Nagata et le docteur Riki Mikami du Département de physique, ont démontré ce principe de diffraction des ondes de matière pour le positronium. Le faisceau de positronium utilisé dans cette étude présentait une variabilité énergétique et une cohérence suffisantes pour observer des effets d'interférence.
Les résultats de cette étude, publiés dans la revue Nature Communications, constituent un nouvel exemple frappant de la dualité onde-corpuscule dans le monde quantique.
« Le positronium est l'atome le plus simple, composé de constituants de masse égale, et jusqu'à son auto-annihilation, il se comporte comme un atome neutre dans le vide. Or, pour la première fois, nous avons observé l'interférence quantique d'un faisceau de positronium, ce qui ouvre la voie à de nouvelles recherches en physique fondamentale utilisant le positronium », explique le professeur Nagashima.
Déroulement de l'expérience
Cette réussite a été rendue possible grâce à la mise au point d'un faisceau de positronium de haute qualité. Les chercheurs ont généré le faisceau en créant d'abord des ions positronium chargés négativement, puis en utilisant une impulsion laser précise pour extraire un électron supplémentaire. Ceci a permis d'obtenir un faisceau d'atomes de positronium rapide, neutre et cohérent.
Ce faisceau accordable a été dirigé vers une cible de graphène, dont l'espacement atomique correspond parfaitement à la longueur d'onde de de Broglie du positronium aux énergies utilisées. Lors du passage des atomes de positronium à travers la feuille de graphène à deux ou trois couches, certains ont été transmis et détectés par un détecteur sensible à la position, révélant une figure de diffraction nette.
Comparée aux méthodes précédentes, cette approche produit des faisceaux de positronium d'énergies plus élevées, atteignant jusqu'à 3,3 keV, avec une dispersion énergétique beaucoup plus faible et une direction de propagation très précise. Le faisceau peut également être généré sous ultravide, ce qui préserve la propreté de la surface du graphène et permet d'observer clairement les effets de diffraction.
Implications et applications futures
Les résultats montrent que, bien que composé de deux particules, le positronium se comporte comme un seul objet quantique, l'électron et le positron ne diffractant pas indépendamment.
« Cette étape expérimentale révolutionnaire marque une avancée majeure en physique fondamentale. Elle démontre non seulement la nature ondulatoire du positronium en tant que système lepton-antilepton lié (un système qui se comporte comme un atome minuscule), mais ouvre également la voie à des mesures de précision impliquant le positronium », explique le Dr Nagata.
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Courriel
Les chercheurs ont également cherché à déterminer si le positronium présente des interférences comme une particule unique, à l'instar de l'électron. Les résultats ont démontré qu'il interfère effectivement comme une particule unique, ce qui constitue une avancée significative dans le domaine de la physique fondamentale.
Au-delà de la confirmation de ses propriétés quantiques, la diffraction du positronium ouvre la voie à plusieurs applications potentielles. Du fait de sa neutralité électrique, le positronium pourrait être utilisé pour l'analyse non destructive et sensible à la surface des matériaux.
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RESUME
Observation d'un faisceau de positronium comme onde de matière quantique pour la première fois.
L'interférence quantique d'un faisceau de positronium a été observée pour la première fois, démontrant que le positronium — un atome neutre à courte durée de vie composé d'un électron et d'un positron — présente une diffraction d'onde de matière en tant qu'objet quantique unique. Ceci confirme la dualité onde-corpuscule du positronium et ouvre la voie à de nouvelles mesures de précision ainsi qu'à des applications potentielles en analyse des matériaux et en études de la gravité de l'antimatière.
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Commentaires
Commentaires
Voici déjà pour mes élèves
1/.Comment se forme le positronium ?
Un électron et un positron orbitent autour de leur centre de masse commun . Un état s possède un moment angulaire nul ; ainsi, orbiter l'un autour de l'autre signifierait se diriger droit l'un vers l'autre jusqu'à ce que la paire de particules soit diffusée ou annihilée, selon ce qui se produit en premier. Il s'agit d'un état quantique lié appelé positronium.
2/Pourquoi le positronium est-il instable ?
Cependant, les interactions quantiques entre le positron et l'électron rendent le positronium instable, et les particules s'annihilent statistiquement parlant et ''aumieux''
en quelques secondes pour former des photons. Le plus souvent, deux photons sont produits.
3/Par conséquent produire déjà un faisceau de posironiums et mesurer leurs interférences recqiert une maitrise expérimentale qui fait mon admiration !!!!
4/Il a été présenté ici l hypothèse d une particle netre de latière noire formée bdev 3positroniums distribués sur entriedre XYZ crnscrit d une geométrie shérique....
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Yugo Nagata et al, Observation of positronium diffraction, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67920-0
Journal information: Nature
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