量子物理学中，粒子表现出波动性这一发现曾震惊科学界，如今这种奇特行为又有新进展。4月28日，东京理科大学研究人员首次在正电子素(一种罕见的物质 - 反物质“原子”)中捕捉到波状干涉现象，该成果发表于《自然通讯》杂志，不仅强化了量子力学奇异本质，还为反物质和引力研究打开新大门。
量子物理学与经典物理学的关键区别之一，在于物质在极小尺度上行为不同，波粒二象性便是重要发现之一。这一概念通过双缝实验为人熟知，电子等粒子穿过双缝后探测器呈现明暗相间条纹图案，表明粒子像波一样，其量子波函数同时穿过双缝并发生干涉。此后，中子、氦原子甚至更大分子都证实了该效应，但此前从未在正电子素中直接观察到。正电子素是寿命很短的双体系统，由一个电子和一个正电子组成，二者质量相等，围绕共同质心运行，研究人员一直试图了解其形成电子束并发生衍射时的行为。
由日本东京理科大学教授长岛康之领导，副教授永田雄吾和三上力博士参与的研究团队实现了这一目标。他们成功在正电子素束中演示物质波衍射现象，实验使用的正电子素束具有必要能量范围和相干性，能产生清晰干涉效应。长岛教授称，正电子素是由质量相等粒子组成的最简单原子，在自湮灭前在真空中像中性原子，首次观测到其量子干涉现象，可为利用正电子素开展基础物理研究开辟新道路。
该突破关键在于产生高度可控的正电子素束。研究人员先生成带负电荷的正电子素离子，再用精确控制时间的激光脉冲去除一个额外电子，产生高速运动、中性且相干的正电子素原子流。这束光指向一片石墨烯薄片，石墨烯中原子间距与实验所用能量下正电子素的德布罗意波长接近。当正电子素原子穿过两到三层石墨烯薄片时，部分原子穿透并被探测到，测量结果显示出清晰衍射图样，证实其波动性。
与早期技术相比，该方法产生的正电子束能量更高，最高可达3.3 keV，还能提供更窄能量分布和更集中束流方向。在超高真空条件下实验，可保持石墨烯表面清洁，更清晰观察衍射图样。结果表明，正电子素虽由两个粒子组成，但表现得像一个单一量子物体，电子和正电子共同作用像一束波。
永田博士表示，这一突破性实验里程碑标志着基础物理学取得重大进展，不仅证明了正电子素作为束缚轻子 - 反轻子系统的波动性，还为涉及正电子素的精确测量开辟了道路。研究团队还证实正电子素会像单个粒子一样产生干涉现象，强化了其作为统一量子实体发挥作用的观点。
除证实量子特性外，正电子素衍射还有实际应用。因其不带电荷，可用于分析材料表面而不造成损伤，在研究绝缘体或磁性材料方面尤为重要。展望未来，涉及正电子素干涉的实验或许能检验反物质如何响应引力，目前这仍是悬而未决的问题。
