W 1956 roku fizyk teoretyczny David Pines przewidział, że elektrony w ciele stałym mogą robić coś dziwnego. Chociaż zwykle mają masę i ładunek elektryczny, Pines zapewnił, że mogą łączyć się, tworząc cząstkę kompozytową, która jest pozbawiona masy, neutralna i nie oddziałuje ze światłem. Nazwał tę cząstkę „demonem”. Od tego czasu spekulowano, że odgrywa ważną rolę w zachowaniu wielu różnych metali. Niestety, te same właściwości, które sprawiają, że jest interesujący, pozwoliły mu uniknąć wykrycia od czasu jego przewidywania.
Teraz zespół naukowców kierowany przez Petera Abbamonte, profesora fizyki na University of Illinois Urbana-Champaign, w końcu znalazł demona Pinesa 67 lat po jego przewidywaniu. Jak donoszą naukowcy w czasopiśmie Nature, zastosowali niestandardową technikę eksperymentalną, która bezpośrednio wzbudza tryby elektroniczne materiału, pozwalając im zobaczyć sygnaturę demona w metalicznym rutenanie strontu.
„Demony były teoretycznie przypuszczane przez długi czas, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali” – powiedział Abbamonte. „W rzeczywistości nawet go nie szukaliśmy. Ale okazało się, że postępujemy właściwie i znaleźliśmy”.
Nieuchwytny demon
Jednym z najważniejszych odkryć fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Oddziaływania elektryczne sprawiają, że elektrony łączą się, tworząc jednostki zbiorowe. Przy wystarczającej energii elektrony mogą nawet tworzyć złożone cząstki zwane plazmonami o nowym ładunku i masie określonej przez podstawowe interakcje elektryczne. Jednak masa jest zwykle tak duża, że plazmony nie mogą tworzyć się przy energiach dostępnych w temperaturze pokojowej.
Pines znalazł wyjątek. Jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym, jak ma to miejsce w wielu metalach, argumentował, że ich odpowiednie plazmony mogą łączyć się poza fazą, tworząc nowy plazmon, który jest bezmasowy i neutralny: demon. Ponieważ demony są bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią, więc mogą istnieć w każdej temperaturze. Doprowadziło to do spekulacji, że mają one istotny wpływ na zachowanie metali wielopasmowych.
Neutralność demonów oznacza, że nie pozostawiają one śladu w standardowych eksperymentach ze skondensowaną materią. „Zdecydowana większość eksperymentów jest wykonywana ze światłem i mierzona właściwościami optycznymi, ale bycie elektrycznie obojętnym oznacza, że demony nie wchodzą w interakcje ze światłem” – powiedział Abbamonte. „Potrzebny był zupełnie inny rodzaj eksperymentu”.
Nieoczekiwane odkrycie
Abbamonte wspomina, że on i jego współpracownicy badali rutenian strontu z innego powodu – metal jest podobny do nadprzewodników wysokotemperaturowych, ale nie jest jednym z nich. Mając nadzieję na znalezienie wskazówek, dlaczego to zjawisko występuje w innych systemach, przeprowadzili pierwsze badanie właściwości elektronicznych metalu.
Grupa badawcza Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zsyntetyzowała wysokiej jakości próbki metalu, które Abbamonte i były doktorant Ali Husain zbadali za pomocą spektroskopii utraty energii elektronów z rozdzielczością pędu. Ta niestandardowa technika wykorzystuje energię elektronów wstrzeliwanych w metal do bezpośredniej obserwacji cech metalu, w tym powstających plazmonów. Jednak gdy naukowcy przeglądali dane, znaleźli coś niezwykłego: tryb elektroniczny bez masy.
Husain, obecnie naukowiec w Quantinuum, wspomina: „Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest. Demony nie są w głównym nurcie. Możliwość pojawiła się wcześnie i po prostu się z niej śmialiśmy. sprawy, zaczęliśmy podejrzewać, że naprawdę znaleźliśmy demona”.
Edwin Huang, doktor habilitowany Moore’a w UIUC i teoretyk materii skondensowanej, został ostatecznie poproszony o obliczenie cech struktury elektronowej rutenianu strontu. „Przewidywanie demonów przez Pines wymaga raczej określonych warunków i dla nikogo nie było jasne, czy rutenian strontu w ogóle powinien mieć demona” – powiedział. „Musieliśmy wykonać mikroskopowe obliczenia, aby wyjaśnić, co się dzieje. Kiedy to zrobiliśmy, znaleźliśmy cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronów oscylujących poza fazą z prawie taką samą wielkością, tak jak opisał Pines”.
Znaczenie mierzenia rzeczy
Według Abbamonte to nie przypadek, że jego grupa odkryła demona „nieoczekiwanie”. Podkreślił, że on i jego grupa stosują technikę, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku substancji, która nie została dobrze zbadana. Wierzy, że to, że znaleźli coś nieoczekiwanego i znaczącego, jest konsekwencją po prostu spróbowania czegoś innego.
„To mówi o znaczeniu mierzenia rzeczy” – powiedział. „Większość wielkich odkryć nie jest planowana. Idź szukać czegoś nowego i zobacz, co tam jest”.
Wsparcie zostało zapewnione przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki, Narodową Fundację Nauki oraz Fundację Gordona i Betty Moore.