量子力学中著名的双缝实验揭示了微观粒子的波粒二象性：当电子穿过两条狭缝时，会在探测器上形成明暗相间的干涉条纹，表明每个电子都像波一样同时通过两条狭缝并与自身发生干涉。此后，科学家们相继在中子、氦原子甚至更大分子中证实了物质波衍射，使其成为量子力学的核心原理之一。然而，这一现象在正电子素——一种由电子和正电子组成的短寿命两体系统——中始终未被直接观测到。

如今，日本东京理科大学的Yasuyuki Nagashima教授领导的研究团队，联合副教授Yugo Nagata和Riki Mikami博士，成功实现了这一目标。他们首次在正电子素束流中演示了物质波衍射，相关成果发表于《自然·通讯》。该束流具有所需的能量范围和相干性，能够产生清晰的干涉效应。

“正电子素是由等质量组分构成的最简单原子，在自湮灭前，它在真空中表现为中性原子。现在我们首次观测到了正电子素束流的量子干涉，这为基础物理学中利用正电子素开展新研究铺平了道路。”Nagashima教授表示。

这一突破依赖于产生高度可控的正电子素束流。研究人员首先生成带负电的正电子素离子，然后利用精确计时的激光脉冲移除一个额外电子，从而获得快速运动、中性且相干的正电子素原子流。该束流被导向一层石墨烯薄膜。石墨烯原子间的间距与实验所用能量下正电子素的德布罗意波长高度匹配。当正电子素原子穿过两到三层石墨烯薄片时，部分原子成功通过并被探测器捕获，测量结果显示出清晰的衍射图案，确认了其波动行为。

与早期技术相比，新方法产生的正电子素束流能量更高，可达3.3 keV，且能量分布更窄、方向性更强。实验在超高真空中进行，保持了石墨烯表面的清洁，使衍射图案更加清晰。结果显示，尽管正电子素由两个粒子组成，但它作为一个单一的量子客体行为：电子和正电子并非分别衍射，而是作为一个整体波共同作用。

“这一开创性的实验里程碑标志着基础物理学的重大进展。它不仅证明了正电子素作为束缚态轻子-反轻子系统（类似微小原子的系统）的波动本质，还为涉及正电子素的精密测量开辟了道路。”Nagata博士指出。

团队还研究了正电子素是否会产生与电子等单粒子相同的干涉效应，结果证实了这一点，进一步强化了其作为统一量子实体的概念。除了确认量子属性，正电子素衍射还可能带来实际应用。由于正电子素不带电荷，它可用于分析材料表面而不造成损伤，尤其适用于研究绝缘体或磁性材料——这些材料会干扰带电粒子束。未来，正电子素干涉实验还可能用于测试反物质如何响应重力，这仍是一个悬而未决的问题，甚至对电子而言也尚未实现直接测量。