Докато изучават материал, който би могъл да помогне за разкриването на тайните на свръхпроводниците, учените случайно са открили „демонска“ частица, която е била теоретизирана преди почти 70 години, но никога не е била експериментално потвърдена.
Електроните са странни частици. Когато пътуват през твърди тела, техните взаимодействия помежду си могат да образуват колективни възбуждания, които функционират като изцяло нови частици с различни характеристики. Те са известни като квазичастици.
Определена форма на квазичастица, наречена плазмон, възниква поради плазмени трептения и те имат нов заряд и маса, отделени от електроните, които ги съставят. Смяташе се обаче, че плазмоните са невъзможни при стайна температура, тъй като енергийните нива са неадекватни за масите, необходими за образуването им.
Но през 1956 г. физикът-теоретик Дейвид Пайнс предрича изключение от правилото – електроните в множество енергийни ленти могат да се групират заедно в нефазов модел, образувайки плазмон, който няма маса или заряд. Без никаква маса те могат да се образуват на всяко енергийно ниво и следователно всяка температура. Тази теоретична частица стана известна като „демонът на Пайнс“ и оттогава се изплъзва от откриването – поне досега.
Учени от университета на Илинойс Урбана-Шампейн и университета Киото направиха първите директни откривания на демона в метал, наречен стронциев рутенат. Ключът, оказва се, е дори да не го търсим специално.
„По-голямата част от експериментите се правят със светлина и се измерват оптичните свойства, но да бъдеш електрически неутрален означава, че демоните не взаимодействат със светлината“, каза Питър Абамонте, водещ автор на изследването. „Беше необходим съвсем различен вид експеримент.“
Стронциевият рутенат е интригуващ метал, който проявява някои свойства на високотемпературни свръхпроводници, въпреки че самият той не е такъв. Екипът се надяваше, че може да намери някои улики за този ценен феномен чрез изучаване на електронните свойства на материала с метод, наречен спектроскопия на загуба на енергия на електрони с разделяне на импулса. Това включва взривяване на метала с електрони, за да се наблюдават неговите свойства, включително всякакви квазичастици, които могат да се образуват. По този начин изследователите откриха озадачаващ плазмон без маса.
„Първоначално нямахме представа какво е това“, каза Али Хюсеин, съавтор на изследването. „Демоните не са в мейнстрийма. Възможността се появи рано и ние основно й се присмяхме. Но когато започнахме да изключваме нещата, започнахме да подозираме, че наистина сме открили демона.
За да идентифицират виновника, учените проследиха електронната структура на стронциевия рутенат. И със сигурност демонът, който беше скрит в продължение на 67 години, най-накрая излезе на фокус.
„Предсказанието на Пайнс за демони изисква доста специфични условия и за никого не беше ясно дали стронциевият рутенат изобщо трябва да има демон“, каза Едуин Хуанг, съавтор на изследването. „Трябваше да извършим микроскопично изчисление, за да изясним какво се случва. Когато направихме това, открихме частица, състояща се от две електронни ленти, осцилиращи извън фаза с почти еднаква величина, точно както описа Пайнс.
Екипът вярва, че демоните могат да играят ключова роля в електронното поведение на широк спектър от метали.
Изследването е публикувано в списанието Природата.
източник: Университет на Илинойс Урбана-Шампейн
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
