Dziwaczne przewidywania 67-letniego fizyka cząstek elementarnych w końcu potwierdziły się

Naukowcy odkryli Devil Pines, zbiór elektronów w metalu, który zachowuje się jak fala bez masy. Źródło: Grainger College of Engineering, Uniwersytet Illinois w Urbana-Champaign

Sześćdziesiąt siedem lat po teoretycznych przewidywaniach Davida Bainesa w rutenianach strontu odkryto nieuchwytną cząstkę „diabelską”, bezmasową i neutralną cząstkę w ciałach stałych, co podkreśla wartość innowacyjnych podejść badawczych.

W 1956 roku fizyk teoretyczny David Baines przewidział, że elektrony w materii stałej mogą zrobić coś dziwnego. Chociaż elektrony zwykle mają masę i ładunek elektryczny, Baines stwierdził, że mogą połączyć się, tworząc cząstkę złożoną, która jest bezmasowa, neutralna i nie oddziałuje ze światłem. Nazwał tę teoretyczną cząstkę „Szatanem”. Od tego czasu wysunięto hipotezę, że odgrywa on ważną rolę w zachowaniu szerokiej gamy minerałów. Niestety, te same cechy, które czynią go tak interesującym, pozwoliły mu uniknąć wykrycia, ponieważ się tego spodziewał.

Po 67 latach zespół badawczy kierowany przez Petera Abamonte, profesora fizyki na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign (UIUC), w końcu odkrył nieuchwytnego Diabła Sosnowego. Naukowcy o tym także poinformowali w czasopiśmie NaturaZastosowali niestandardową technikę eksperymentalną, która bezpośrednio wzbudza elektroniczne wzorce materii, co pozwoliło im dostrzec sygnaturę diabła w mineralnym rutenianie strontu.

„Diabły spekulują teoretycznie od dawna, ale empirycy nigdy ich nie badali” – powiedział Abamonte. „Właściwie nawet tego nie szukaliśmy. Okazuje się jednak, że postąpiliśmy słusznie i znaleźliśmy to”.

Szatan jest nieuchwytny

Jednym z najważniejszych odkryć fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Oddziaływania elektryczne powodują, że elektrony łączą się, tworząc zbiorcze jednostki. Przy wystarczającej energii elektrony mogą tworzyć złożone cząstki zwane plazmonami, których nowy ładunek i masa są określone przez podstawowe interakcje elektryczne. Jednak masa jest zwykle zbyt duża, aby plazmony mogły uformować się przy energii dostępnej w temperaturze pokojowej.

Baines znalazł wyjątek. Jeśli ciało stałe zawiera elektrony w więcej niż jednym paśmie energii, jak ma to miejsce w przypadku wielu metali, argumentował, że ich plazmony mogą łączyć się w układzie przesuniętym w fazie, tworząc nowy, bezmasowy, neutralny plazmon: demon. Ponieważ demony są bezmasowe, mogą powstawać z dowolną energią, więc mogą istnieć w każdej temperaturze. Doprowadziło to do spekulacji, że mają one istotny wpływ na zachowanie minerałów wieloskalowych.

Neutralność demonów oznacza, że ​​nie pozostawiają one śladów w standardowych eksperymentach z materią skondensowaną. „Zdecydowana większość eksperymentów przeprowadzana jest z wykorzystaniem światła i pomiaru właściwości optycznych, ale neutralność elektrycznie 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 rutenit strontu z niepowiązanego powodu: metal jest nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym, ale nie jest nadprzewodnikiem. Mając nadzieję na znalezienie wskazówek, dlaczego to zjawisko występuje w innych układach, przeprowadzili pierwsze badanie właściwości elektronicznych metalu.

Grupa badawcza kierowana przez Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zebrała wysokiej jakości próbki metalu, które Abamonte i były student Ali Hussein zbadali za pomocą spektroskopii strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Jest to niestandardowa technika, która wykorzystuje energię elektronów uwalnianych do metalu do bezpośredniej obserwacji właściwości minerału, w tym tworzących się plazmonów. Przeglądając dane, naukowcy odkryli coś niezwykłego: tryb elektronowy bez masy.

„Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest” – wspomina Hussain, obecnie pracownik naukowy w Quantinum. Demony nie są w głównym nurcie. Taka możliwość pojawiła się wcześnie i w zasadzie się z niej śmialiśmy. Kiedy jednak zaczęliśmy wykluczać tę sytuację, zaczęliśmy podejrzewać, że rzeczywiście znaleźliśmy Szatana.

Ostatecznie poproszono Edwina Huanga, doktora habilitowanego na UIUC i teoretyka materii skondensowanej, o obliczenie cech struktury elektronowej rutenu strontu. „Przewidywanie Bainesa dotyczące istnienia demonów pociąga za sobą dość specyficzne warunki i dla nikogo nie było jasne, czy rutenit strontu w ogóle powinien mieć demona” – powiedział. „Musieliśmy wykonać obliczenia mikroskopowe, aby pokazać, co się dzieje. Kiedy to zrobiliśmy, znaleźliśmy cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronów, które oscylują w fazie przesuniętej w mniej więcej tej samej fazie, tak jak opisał Baines.

bez wahania szukać

Według Abbamonta to nie przypadek, że jego grupa odkryła Szatana „przez przypadek”. Zapewnił, że on i jego grupa stosowali technikę, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku materiału, który nie został dobrze zbadany. Uważa się, że odkrycie czegoś nieoczekiwanego i znaczącego jest wynikiem spróbowania czegoś innego, a nie tylko szczęścia.

„Mówi o tym, jak ważne jest po prostu mierzenie różnych rzeczy” – powiedział. „Większość wielkich odkryć jest nieplanowanych. Znajdź nowe miejsce i zobacz, co tam jest”.

Odniesienie: „Zwróć uwagę na Demon Pines jako trójwymiarowy plazmon akustyczny w Sr₂RuO₄Napisane przez Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Si Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips i Peter Abamonte, 9 sierpnia 2023 r., dostępne tutaj. Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte jest członkiem Laboratorium Badań Materiałowych na UIUC. Huang jest członkiem Instytutu Teorii Materii Skondensowanej na UIUC.

Wkład w tę pracę wnieśli profesorowie Philip Phillips z UIUC, Matteo Mitrano z Harvard University, Bruno Ochoa z University of Oklahoma i Philip Paston z Rutgers University.

Wsparcie zapewnił Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Japońskie Stowarzyszenie Postępu Nauki, Narodowa Fundacja Nauki oraz Fundacja Gordona i Betty Moore.