ポジトロニウムは、量子力学的には通常の水素原子と同様に波動関数で表すことが可能で、干渉も起こすと推測されている。しかし、これまで同粒子をビーム化し、干渉効果を観測する研究は行われてこなかった。そこで研究チームは今回、自らが開発した高品質の同粒子のビームをグラフェン薄膜に入射させ、同粒子が電子同様に結晶特有の回折を示すのかを確かめることを目指したという。
結晶構造を調べる代表的な手法にX線結晶構造解析がある。結晶に入射したX線が原子で散乱され、特定の角度で強め合う干渉を起こすことで回折波として現れるため、これを解析すれば原子の配列が判明する仕組みだ。これは、電子でも同様に起きることが知られている。
しかし、ポジトロニウムは電気的に中性であるため、生成後は電場による加速が不可能な点が課題となる。そこで研究チームでは、ポジトロニウムにもう1つ電子を束縛させた「ポジトロニウム負イオン」を利用して加速する手法を開発。これは、加速後にレーザー光で電子を脱離させることで、必要なエネルギーを持つポジトロニウムビームが生成される仕組みである。
今回の研究では、2.3keVまたは3.3keVのエネルギーを持つポジトロニウムビームが生成された。これを炭素原子数層分の厚さしかない2次元物質グラフェン(今回は2原子層の薄膜)に入射させ、反対側に透過したポジトロニウムの観測が行われた。