Позитрон, античастица электрона, имеет ту же массу и заряд, что и электрон, но с измененным знаком заряда. Это привлекательная частица для ученых, поскольку использование позитронов привело к важным открытиям и разработкам в области физики элементарных частиц, атомной физики, материаловедения, астрофизики и медицины.
Например, известно, что позитроны являются компонентами антиматерии. Они также эффективны при обнаружении дефектов решетки в твердых телах и полупроводниках, а также при структурном анализе верхней поверхности кристаллов.
Позитронные соединения, а именно связанные состояния позитронов с регулярными атомами, молекулами или ионами, представляют собой интригующий аспект взаимодействий позитрона с веществом и изучались экспериментально посредством наблюдения аннигиляции позитронов в газах. Возможно, удастся генерировать новые молекулы и ионы посредством образования позитронных соединений, но с такой точки зрения никаких исследований никогда не проводилось.
На этом фоне исследовательская группа, в которую входит профессор Ясуюки Нагашима из Токийского научного университета (TUS), Япония, нашла инновационный способ изучения взаимодействий между позитронами и ионными кристаллами. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters , включала совместные усилия доктора Такаюки Татибаны, бывшего доцента TUS и в настоящее время связанного с Университетом Риккё, и г-на Дайки Хоши, бывшего аспиранта TUS.
Исследователи использовали технику, основанную на хорошо изученном явлении, возникающем в результате бомбардировки твердого тела электронным лучом . «Давно известно, что когда электроны впрыскиваются в твердую поверхность , атомы, составляющие поверхность, выбрасываются в виде одноатомных положительных ионов», — объясняет доктор Тачибана. Этот процесс, известный как электронно-стимулированная десорбция, побудил команду изучить, что произойдет, если вместо этого бомбардировать кристалл позитронами.
В своих экспериментах исследователи направляли либо позитронный, либо электронный луч на поверхность (110) кристалла фторида лития (LiF). Используя тщательно размещенные электрические поля, генерируемые дефлекторами, они контролировали энергию падающих заряженных частиц. Более того, дефлекторы позволили им перенаправить любые ионы, десорбированные из кристалла, на детектор ионов. Обнаруженные сигналы затем использовались для проведения спектроскопического анализа для определения точного состава десорбированных ионов.
Они обнаружили, что при облучении кристалла LiF электронами были обнаружены только ожидаемые одноатомные ионы, а именно Li + , F + и H + (из-за остаточных газов в экспериментальной камере). Однако инжекция кристалла позитронами привела к обнаружению положительных молекулярных ионов фтора (F 2 + ) и положительных ионов фтороводорода (FH + ). Примечательно, что это первое в истории сообщение о выбрасывании молекулярных ионов при позитронном облучении.
После дальнейшего анализа и экспериментов исследователи разработали модель десорбции, объясняющую свои наблюдения. Согласно этой модели, когда позитроны инжектируются в твердое тело, некоторые из них возвращаются на поверхность, потеряв свою энергию. В случае кристаллов LiF эти позитроны могут притягивать два соседних отрицательных иона фтора на поверхности, образуя позитронное соединение.
Если связанный позитрон аннигилирует с одним из основных электронов иона фтора, испускается особый тип электрона, известный как оже-электрон, что приводит к перезарядке и образованию положительного молекулярного иона F 2 + . Этот ион выталкивается из кристалла силами отталкивания находящихся рядом ионов Li + .
Результаты этого исследования могут расширить наше понимание взаимодействий материи и антивещества. «Стабильность и связывающие свойства позитронных соединений открывают уникальные перспективы взаимодействия античастиц с обычными веществами, открывая путь для новых исследований в области квантовой химии», — сказал доктор Тачибана. «Предлагаемый метод может, таким образом, проложить путь к генерации новых молекулярных ионов и молекул в будущем».
Примечательно, что этот подход может быть использован во многих прикладных областях. В материаловедении его можно использовать для модификации поверхности материалов и изучения их свойств с беспрецедентной точностью. Другие потенциальные применения включают терапию рака, квантовые вычисления, хранение энергии и электронные устройства следующего поколения.
