Náhodně objevená „částice démona“ vyřešila záhadu 67 let

Při studiu materiálu, který by mohl pomoci odhalit tajemství supravodičů, vědci náhodně objevili „démonskou“ částici, která byla poprvé teoretizována téměř před 70 lety, ale nikdy nebyla experimentálně potvrzena.

Elektrony jsou zvláštní částice. Když cestují pevnými látkami, jejich vzájemné interakce mohou vytvářet kolektivní excitace, které fungují jako zcela nové částice s odlišnými vlastnostmi. Tyto jsou známé jako kvazičástice.

Zvláštní forma kvazičástice, nazývaná plasmon, vzniká v důsledku oscilací plazmatu a tyto mají nový náboj a hmotnost oddělenou od elektronů, které je tvoří. Avšak plasmony byly považovány za nemožné při pokojové teplotě, protože energetické hladiny jsou nedostatečné pro hmoty potřebné k jejich vytvoření.

Ale v roce 1956 teoretický fyzik David Pines předpověděl výjimku z pravidla – elektrony ve více energetických pásmech by se mohly seskupit v mimofázovém vzoru a vytvořit plasmon, který nemá žádnou hmotnost ani náboj. Bez jakékoli hmoty se mohou tvořit při jakékoli energetické úrovni, a tedy jakékoli teplotě. Tato teoretická částice se stala známou jako „Pinesův démon“ a od té doby unikala detekci – alespoň doposud.

Vědci z University of Illinois Urbana-Champaign a Kyoto University nyní provedli první přímé odhalení démona v kovu zvaném ruthenát strontnatý. Klíčem, jak se ukázalo, bylo ani to konkrétně nehledat.

„Velká většina experimentů se provádí se světlem a měří optické vlastnosti, ale být elektricky neutrální znamená, že démoni se světlem neinteragují,“ řekl Peter Abbamonte, hlavní autor studie. „Byl potřeba úplně jiný druh experimentu.“

Ruthenát strontnatý je zajímavý kov, který vykazuje některé vlastnosti vysokoteplotních supravodičů, i když sám takový není. Tým doufal, že by mohli najít nějaké vodítka k tomuto cennému jevu studiem elektronických vlastností materiálu metodou nazvanou spektroskopie ztráty energie elektronů s rozlišením hybnosti. To zahrnuje otryskávání kovu elektrony, aby bylo možné pozorovat jeho vlastnosti, včetně jakýchkoli kvazičástic, které by se mohly vytvořit. Při tom výzkumníci objevili záhadný plasmon bez hmotnosti.

„Nejprve jsme neměli tušení, co to je,“ řekl Ali Husain, spoluautor studie. „Démoni nejsou v hlavním proudu. Ta možnost přišla brzy a v podstatě jsme se tomu zasmáli. Ale když jsme začali věci vylučovat, začali jsme mít podezření, že jsme toho démona skutečně našli.“

Aby vědci identifikovali viníka, pokračovali zkoumáním elektronické struktury ruthenátu strontnatého. A opravdu, démon, který zůstal skrytý 67 let, se konečně dostal do centra pozornosti.

„Pinesova předpověď démonů vyžaduje poměrně specifické podmínky a nikomu nebylo jasné, zda by vůbec měl mít ruthenát strontnatý démona,“ řekl Edwin Huang, spoluautor studie. „Museli jsme provést mikroskopický výpočet, abychom objasnili, co se děje. Když jsme to udělali, našli jsme částici sestávající ze dvou elektronových pásů oscilujících mimo fázi s téměř stejnou velikostí, stejně jako to popsal Pines.

Tým věří, že démoni mohou hrát klíčovou roli v elektronickém chování široké škály kovů.

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: University of Illinois Urbana-Champaign