Naukowcy odkryli demona. Jego istnienie udało się potwierdzić po 67 latach

Wielu fizyków przypuszczało, że „demon” może odgrywać istotną rolę w zachowaniu wielu metali. Trudno jednak wykryć coś, co pozbawione jest zarówno ładunku, jak i masy, toteż demon wymykał się badaczom przez długie dziesięciolecia.

Dopiero teraz, 67 lat od przewidywań Pinesa, zespołowi naukowców kierowanemu przez Petera Abbamonte, profesora fizyki na University of Illinois Urbana-Champaign (USA), udało się schwytać ulotnego demona – przy badaniu właściwości metalicznego rutenianu strontu (Sr2RuO4).

“Istnienie ‘demonów’ teoretycznie przewidywano od dawna, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali – powiedział Abbamonte. – W rzeczywistości nawet ich nie szukaliśmy. Ale okazało się, że postępujemy właściwie i znaleźliśmy je”.

Jednym z najważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Pod wpływem elektrycznych odziaływań łączą się w jednostki zbiorowe. Przy wystarczającej energii elektrony mogą nawet tworzyć złożone cząstki, zwane plazmonami, o nowym ładunku i określonej masie, poprzez podstawowe interakcje elektryczne. Jednak masa plazmonów jest zwykle tak duża, że nie mogą one powstawać przy energiach dostępnych w temperaturze pokojowej.

Pinesowi udało się znaleźć wyjątek od reguły: jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym (co ma miejsce w wielu metalach), ich odpowiednie plazmony mogą łączyć się w układzie pozafazowym, tworząc nowy plazmon, który jest bezmasowy i neutralny (demon). Ponieważ demony są bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią, a zatem istnieć w każdej temperaturze. Doprowadziło to do spekulacji, że mają istotny wpływ na zachowanie metali wielopasmowych.

Ze względu na elektryczną neutralność demonów nie pozostawiają one śladu w standardowych eksperymentach ze skondensowaną materią. „Ogromna większość eksperymentów jest wykonywana ze światłem i mierzy właściwości optyczne, ale bycie elektrycznie obojętnym oznacza, że demony nie wchodzą w interakcje ze światłem – powiedział Abbamonte. – Potrzebny był zupełnie inny rodzaj eksperymentu”.

Abbamonte i jego współpracownicy badali rutenian strontu z zupełnie innego powodu – jest podobny do nadprzewodników wysokotemperaturowych, ale nie jest takim nadprzewodnikiem. Chcąc wyjaśnić fenomen nadprzewodnictwa w innych materiałach, jako pierwsi zbadali elektronowe właściwości tego metalu.

Grupa badawcza Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zsyntetyzowała wysokiej jakości próbki rutenianu strontu, które Abbamonte i jego były doktorant Ali Husain zbadali za pomocą techniki spektroskopii strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Ta niestandardowa metoda wykorzystuje energię elektronów wstrzeliwanych do metalu – do bezpośredniej obserwacji właściwości tegoż metalu, w tym także powstawania plazmonów. Analizując dane, naukowcy natknęli się na coś niezwykłego: cząstkę pozbawioną masy.

“Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest. Demony nie są mainstreamowe. Początkowo się z tego śmialiśmy, ale wykluczając inne wytłumaczenia zaczęliśmy podejrzewać, że naprawdę znaleźliśmy demona” – wspomina Husain, obecnie naukowiec w Quantinuum.

Według Abbamonte to nie przypadek, że jego grupa odkryła demona. Podkreślił, że stosowali technikę, która nie jest powszechnie używana w przypadku substancji, jaka nie została dobrze zbadana. Wierzy, że odkrycie czegoś nieoczekiwanego i ważnego to po prostu konsekwencja spróbowania „czegoś innego”. “To mówi o znaczeniu pomiarów – uznał. – Większość wielkich odkryć nie jest planowana”.

Więcej informacji w artykule źródłowym https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8.