Observation of quantum interference of positronium and its applications for material science
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21H04457
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
長嶋 泰之 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 教授 (60198322)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 祐吾 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 准教授 (30574115)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
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| Keywords | ポジトロニウム / 量子干渉 / グラフェン / 陽電子 |
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| Outline of Research at the Start |
申請者らは近年、電子と陽電子の束縛状態であるポジトロニウムのエネルギー可変高品質ビームを生成することに成功した。これは研究代表者が開発した陽電子1個と電子2個の束縛状態であるポジトロニウム負イオンの高効率生成法を利用するもので、このイオンを電場で加速した後にレーザー光照射して電子を脱離させることによって得られる。本研究課題ではこのポジトロニウムビームを用いて、等質量二体束縛状態であるポジトロニウムの量子干渉の観測を世界に先駆けて行う。また結晶表面にすれすれの角度で斜入射し、量子干渉による回折スポットを観測する実験を行う。基礎物理学から材料科学への応用まで、極めて重要な結果をもたらす研究である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度に引き続き、ポジトロニウムの量子干渉効果に関する研究を行った。代表者らが開発した世界唯一のkeV領域のエネルギーを有するエネルギー可変ポジトロニウムビームをグラフェン薄膜に入射し、透過したポジトロニウムがつくる干渉像を、ビーム軸を中心に積分し、これを中心からの半径に対してプロットした結果、ポジトロニウム波動関数の干渉効果を示すピークが現れた。2023年度には論文執筆のための定量的な解析を行った。論文執筆はすでに開始しているが、重要なデータなので慎重に解析および執筆に取り組んでおり、現時点ではまだ投稿に至っていない。
また2022年度に、ポジトロニウムがグラフェン薄膜を透過する様子を調べる研究をスタートした。2023年度までに1層、2層、3-5層、6-8層のグラフェンに対する測定を行って結果を論文にまとめ、European Journal of Physics Dに掲載された。用いたグラフェンはレーシーカーボン上に形成されたものである。レーシーカーボン上のグラフェンを用いたのは、単層でも強度が高いためである。しかしレーシーカーボンはポジトロニウム透過のデータにも影響を与えている。その効果を慎重に取り除く工夫をしたが、十分ではない可能性がある。またレーシーカーボンがあるためグラフェンの層数の不定性が大きい。今後はレーシーカーボンを使わないグラフェンを用いた実験を行い、より信頼性の高いデータをとる必要があると考えている。
さらに、東京理科大学に設置されているポジトロニウムビームよりも低いエネルギー領域のポジトロニウムビームを生成し、より低いエネルギー領域での回折実験を行うために、低速陽電子ビームをグラフェンに入射して、低エネルギーのポジトロニウムビームを生成する実験を試みている。この研究は2024年度も引く続き継続する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エネルギー可変ポジトロニウムビームをグラフェン薄膜に透過させることによって、ポジトロニウムの量子干渉によるピークが得られている。これはポジトロニウムの干渉効果としては世界で初めての成果である。またそれに付随して、ポジトロニウムのグラフェン透過率を測定する実験も結果が出て論文として発表を済ませており、研究の進捗はおおむね順調と言える。
しかしながら予定していた陽電子線源の購入が不可能になってしまうという大きな問題が発生した。これは、世界で唯一22Na陽電子密封線源を生産している南アフリカのiThemba Labsへの発注が不可能となったためで、当初からは予想されていなかったことである。iThemba Labsでは陽電子線源の製造を停止しており、製造が開始されるかどうかすらわからない状態であったが、2023年の終わりころから製造が再開された。代表者は早速に日本アイソトープ協会経由で注文を行ったが、すでにバックオーダーが殺到しており注文を受けてもらえず、2023年度内の購入ができなかった。予算的には2024年度の購入は不可能で、2024年度はすでに減衰している手持ちの線源で実験を継続せざるを得ない状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度には、まずはグラフェンを用いたポジトロニウム回折実験の論文を仕上げる。それからグラフェンを用いたポジトロニウムビーム生成実験を成功させ、低エネルギーでのポジトロニウム干渉実験に取り組む。さらに、LiFなどの結晶表面すれすれに入射し、回折像を得る実験も予定している。
またポジトロニウムのグラフェン透過実験の精度を向上させる。これまで用いてきたレーシーカーボン上のグラフェンでなく、多数の細孔が穿たれた銅板上に生成されたグラフェンを用いる。これによってレーシーカーボンによる効果を取り除くことが可能になると同時に、ラマン分光法でグラフェンの層数を正確に測定することができるようになり、より信頼性の高いデータの取得が可能となることが期待される。ただし、開口率はレーシーカーボンよりも下がるため、実験に要する時間が長くなる。
これらの実験は新たな線源を用いて行う予定であった、購入できなかったため、すでに減衰してしまっている現有の線源で継続せざるを得ない。密封線源を用いるよりも2桁強度の高い、高エネルギー加速器研究機構低速陽電子施設での共同利用による研究も検討していく予定である。
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Report
(4 results)
Research Products
(14 results)
