Das Positron, das Antiteilchen des Elektrons, hat die gleiche Masse und Ladung wie ein Elektron, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen für die Ladung. Es ist ein attraktives Teilchen für Wissenschaftler, da der Einsatz von Positronen zu wichtigen Erkenntnissen und Entwicklungen in den Bereichen Elementarteilchenphysik, Atomphysik, Materialwissenschaften, Astrophysik und Medizin geführt hat.
Beispielsweise ist bekannt, dass Positronen Bestandteile der Antimaterie sind. Sie sind auch leistungsstark bei der Erkennung von Gitterfehlern in Festkörpern und Halbleitern sowie bei der Strukturanalyse der obersten Oberfläche von Kristallen.
Positronische Verbindungen, nämlich gebundene Zustände von Positronen mit regulären Atomen, Molekülen oder Ionen, stellen einen faszinierenden Aspekt der Wechselwirkungen zwischen Positron und Materie dar und wurden experimentell durch Beobachtung der Positronenvernichtung in Gasen untersucht. Es mag möglich sein, durch die Bildung von Positronenverbindungen neue Moleküle und Ionen zu erzeugen, es wurden jedoch noch nie Untersuchungen aus dieser Perspektive durchgeführt.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam um Professor Yasuyuki Nagashima von der Tokyo University of Science (TUS), Japan, einen innovativen Weg gefunden, die Wechselwirkungen zwischen Positronen und Ionenkristallen zu untersuchen. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungbeinhaltete die Zusammenarbeit von Dr. Takayuki Tachibana, ehemaliger Assistenzprofessor an der TUS und derzeit an der Rikkyo-Universität angegliedert, und Herrn Daiki Hoshi, einem ehemaligen Doktoranden an der TUS.
Die Forscher verwendeten eine Technik, die auf einem gut erforschten Phänomen beruhte, das beim Beschuss eines Festkörpers mit einem Elektronenstrahl entsteht. „Es ist seit langem bekannt, dass beim Injizieren von Elektronen in eine feste Oberfläche Atome, aus denen die Oberfläche besteht, als monoatomare positive Ionen ausgestoßen werden“, erklärt Dr. Tachibana. Dieser als elektronenstimulierte Desorption bekannte Prozess motivierte das Team zu untersuchen, was passieren würde, wenn ein Kristall stattdessen mit Positronen bombardiert würde.
In ihren Experimenten schossen die Forscher entweder einen Positronen- oder einen Elektronenstrahl auf die (110)-Oberfläche eines Lithiumfluorid (LiF)-Kristalls. Mithilfe sorgfältig platzierter elektrischer Felder, die von Deflektoren erzeugt wurden, kontrollierten sie die einfallenden Energien der geladenen Teilchen. Darüber hinaus ermöglichten die Deflektoren die Umleitung aller vom Kristall desorbierten Ionen zu einem Ionendetektor. Die detektierten Signale wurden dann zur Durchführung einer spektroskopischen Analyse verwendet, um die genaue Zusammensetzung der desorbierten Ionen zu ermitteln.
Sie fanden heraus, dass bei Bestrahlung des LiF-Kristalls mit Elektronen nur die erwarteten monoatomaren Ionen, nämlich Li+, F+ und H+ (aufgrund von Restgasen in der Experimentierkammer), nachgewiesen wurden. Allerdings wird der Kristall mit injiziert Positronen führte zum Nachweis positiver molekularer Fluorionen (F2+) und positiver Fluorwasserstoffionen (FH+). Bemerkenswert ist, dass dies der erste Bericht darüber ist, dass Molekülionen bei Positronenbestrahlung ausgestoßen werden.
Nach weiteren Analysen und Experimenten entwickelten die Forscher ein Desorptionsmodell, um ihre Beobachtungen zu erklären. Nach diesem Modell kehren einige Positronen, wenn sie in einen Festkörper injiziert werden, an die Oberfläche zurück, nachdem sie ihre Energie verloren haben. Im Fall von LiF-Kristallen können diese Positronen zwei benachbarte negative Fluorionen auf der Oberfläche anziehen und so eine positronische Verbindung bilden.
Wenn das gebundene Positron mit einem der Kernelektronen des Fluorions annihiliert, wird eine spezielle Art von Elektron, ein sogenanntes Auger-Elektron, emittiert, was zu einem Ladungsaustausch und der Erzeugung eines positiven F2+-Molekülions führt. Dieses Ion wird durch die Abstoßungskräfte der nahegelegenen Li+-Ionen aus dem Kristall gedrückt.
Die Ergebnisse dieser Studie könnten unser Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie verbessern. „Die Stabilität und Bindungseigenschaften positronischer Verbindungen bieten einzigartige Perspektiven auf die Wechselwirkung von Antiteilchen mit gewöhnlichen Substanzen und ebnen den Weg für neuartige Untersuchungen auf dem Gebiet der Quantenchemie“, sagte Dr. Tachibana. „Die vorgeschlagene Methode könnte somit den Weg für die zukünftige Erzeugung neuer Molekülionen und Moleküle ebnen.“
Insbesondere könnte der Ansatz in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. In der Materialwissenschaft könnte es genutzt werden, um die Oberfläche von Materialien zu verändern und ihre Eigenschaften mit beispielloser Präzision zu untersuchen. Weitere potenzielle Anwendungen sind Krebstherapie, Quantencomputer, Energiespeicherung und elektronische Geräte der nächsten Generation.
Mehr Informationen:
T. Tachibana et al, Molekulare Ionendesorption von LiF(110)-Oberflächen durch Positronenvernichtung, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.143201