2021 Fiscal Year Annual Research Report
Observation of quantum interference of positronium and its applications for material science
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21H04457
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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, 助教 (30574115)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 陽電子 / ポジトロニウム / 量子干渉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度には、ポジトロニウムの量子干渉効果を初めて観測することを目指して、エネルギー可変ポジトロニウムビームを単層および複層グラフェンに入射して透過させ、透過ポジトロニウム像を2次元的に測定した。
ポジトロニウムは電気的に中性であるため、いったん生成してしまうと必要なエネルギーに加速することができない。本研究課題で用いたポジトロニウムビームは、ナトリウムを蒸着したタングステン薄膜に低速陽電子ビームを入射して陽電子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を生成し、あらかじめ電場で加速した後にレーザー光で照射して電子１個を脱離させて生成したものである。東京理科大学にはこの方式によるポジトロニウムビーム装置が設置されており、300eV-3.3keVのエネルギー可変高品質ポジトロニウムビームが得られている。
グラフェン試料には、レーシーカーボン上に張られた単層および2、3層のグラフェンを用いた。直径が2mmしかないため、ビームの軌道上に鉛製アパーチャーを置いて直径を1mmに絞る必要があった。このためビーム強度が低くなり、測定には1000時間を超える時間を要した。
得られた2次元画像をポジトロニウムの入射位置を中心として円周状に積分を計算した。これを中心からの半径に対してプロットした結果、ピークが現れた。このピークの位置は、ポジトロニウムのドブロイ波長から計算される位置に一致しており、ポジトロニウムの量子干渉によるものであると考えられる。ポジトロニウムの量子干渉実験は行われたことがなく、これが初めての観測である可能性が大きい。
得られたデータにはグラフェン薄膜との散乱によるポジトロニウムの解離に関する情報も含まれている。その観点からの解析も開始している。
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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
2021年度には当初予定していたとおり、ポジトロニウムビームを単層グラフェン薄膜に透過させて、下流側に設置した位置検出器（delay-line anode付MCP）で検出する実験を行った。12月には新たな密封陽電子線源を入手し、万全な体制で測定を行った。
電子ビームを単層グラフェンに透過させると瞬時にして量子干渉によるパターンが得られるが、ポジトロニウムビームの強度は電子ビームと比べて極めて弱いため、測定には長時間を要する。数か月に及ぶ測定を継続した結果、干渉効果を示すと考えられるピークが見られた。またポジトロニウムの入射エネルギーを変えると、それに応じてピーク位置が変わる様子も確認された。さらに2、3層のグラフェン薄膜を用いた測定も行い、ピークが得られる様子が見られた。現在、このデータが正しいものであることを確かめるための解析と測定を行っている。
ポジトロニウムの量子干渉実験はこれまでに行われたことはない。本研究はポジトロニウムの量子干渉実験についての世界初めての成果である可能性が高く、物理学的な意義は大きい。
さらに、得られたデータには、グラフェン薄膜における散乱によるポジトロニウムの解離の情報も含まれる。ポジトロニウムと物質との相互作用の研究が展開すると、ポジトロニウムの解離の情報は重要である。そのような観点からも得られたデータの解析を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度には、まずは得られているピークについて詳しく調べ、本当にポジトロニウムの干渉効果を示すものであるかどうかを確認する。そのために、用いた２次元検出器の校正やデータ処理方法の確認など、多角的に調べる。その結果を待って論文を執筆する。
また得られたデータには、数keVのエネルギーを有するポジトロニウムと炭素原子の散乱に関する情報が含まれている。この情報は、今後ポジトロニウムを用いた物質研究に重要であると考えられる。そこで散乱断面積やポジトロニウムの解離断面積などのデータを得るための解析や追加実験を行う。追加実験としては、ポジトロニウム検出用に用いている遅延アノード付きマイクロチャンネルプレートの検出効率の測定が必要である。また必要に応じて、ポジトロニウムをグラフェンに透過させる実験も追加の測定を行う。
本研究課題では、反射高速電子線回折と同様の測定、すなわち結晶表面すれすれの角度でポジトロニウムビームを入射し、表面で反射したポジトロニウムの波動関数が干渉する様子を観測することも予定している。本格的な測定は2023年度以降となる予定であるが、2022年度にはそのための準備を行う。すなわち、測定試料の選定や試料ホルダーの整備などを行う。
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Research Products
(6 results)
