Подтверждено предсказание 67-летней давности о безмассовых нейтральных составных частицах
Группа исследователей во главе с Питером Аббамонте, профессором физики Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, наконец нашла демона Пайнса через 67 лет после того, как он был предсказан. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они использовали нестандартную экспериментальную технику, которая напрямую возбуждает электронные моды материала, позволяя им увидеть сигнатуру демона в металлическом рутенате стронция.
Спектры M-EELS высоких энергий от Sr2RuO4.
a, Концептуальная иллюстрация экспериментов M-EELS по отражению от сколотой поверхности Sr2RuO4.
b, развертки потерь энергии с фиксированным q (в rlu) для выбора значений q вдоль кристаллографического направления (1,0), снятые при T = 300 K. Эти спектры были получены путем деления матричных элементов M-EELS и масштабирования кривые, как описано в ссылке37 . При малых импульсах ( q< 0,16 rlu), в спектрах наблюдается широкая плазмонная особенность с пиком при 1,2 эВ. При больших импульсах данные показывают не зависящий от энергии континуум, который ранее наблюдался в Bi2Sr2CaCu2O8+x (ссылка 37).
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06318-8
В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердом теле могут делать что-то странное. Хотя обычно они имеют массу и электрический заряд, Пайнс утверждал, что они могут объединяться, образуя составную частицу, которая является безмассовой, нейтральной и не взаимодействует со светом. Он назвал эту частицу «демоном». С тех пор предполагалось, что он играет важную роль в поведении самых разных металлов. К сожалению, те же свойства, которые делают его интересным, позволили ему ускользнуть от обнаружения с момента его предсказания.
Теперь группа исследователей во главе с Питером Аббамонте, профессором физики Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, наконец нашла демона Пайнса через 67 лет после того, как он был предсказан. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они использовали нестандартную экспериментальную технику, которая напрямую возбуждает электронные моды материала, позволяя им увидеть сигнатуру демона в металлическом рутенате стронция.
«Теоретические предположения о демонах существовали долгое время, но экспериментаторы никогда их не изучали», — сказал Аббамонте. «На самом деле, мы даже не искали его. Но оказалось, что мы делали именно то, что нужно, и мы его нашли».
Неуловимый демон
Одно из важнейших открытий физики конденсированного состояния состоит в том, что электроны теряют свою индивидуальность в твердых телах. Электрические взаимодействия заставляют электроны объединяться в коллективные единицы. Обладая достаточной энергией, электроны могут даже образовывать составные частицы, называемые плазмонами, с новым зарядом и массой, определяемыми лежащими в их основе электрическими взаимодействиями. Однако масса обычно настолько велика, что плазмоны не могут образовываться при энергиях, доступных при комнатной температуре.
Сосны нашли исключение. Если в твердом теле есть электроны более чем в одной энергетической зоне, как у многих металлов, он утверждал, что их соответствующие плазмоны могут объединяться в противофазе, образуя новый плазмон, который является безмассовым и нейтральным: демон. Поскольку демоны не имеют массы, они могут формироваться с любой энергией, поэтому они могут существовать при любых температурах. Это привело к предположению, что они оказывают важное влияние на поведение многозонных металлов.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированной материей. «Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряют оптические свойства, но электрическая нейтральность означает, что демоны не взаимодействуют со светом», — сказал Аббамонте. «Требовался совершенно другой вид эксперимента».
Случайное открытие
Аббамонте вспоминает, что он и его сотрудники изучали рутенат стронция по другой причине — этот металл похож на высокотемпературные сверхпроводники, но не является таковым. В надежде найти ключ к разгадке того, почему это явление происходит в других системах, они провели первое исследование электронных свойств металла.
Исследовательская группа Йоши Маэно, профессора физики Киотского университета, синтезировала высококачественные образцы металла, которые Аббамонте и бывший аспирант Али Хусейн исследовали с помощью спектроскопии потерь энергии электронов с импульсным разрешением. Нестандартный метод, он использует энергию электронов, выпущенных в металл, для непосредственного наблюдения за особенностями металла, включая образующиеся плазмоны. Однако, просматривая данные, исследователи обнаружили нечто необычное: электронную моду без массы.
Хусейн, ныне научный сотрудник Quantinuum, вспоминал: «Сначала мы понятия не имели, что это такое. Демоны не в мейнстриме. Выяснив все это, мы начали подозревать, что действительно нашли демона».
Эдвина Хуанга, доктора Мура в UIUC и теоретика конденсированных сред, в конце концов попросили рассчитать особенности электронной структуры рутената стронция. «Предсказание Пайнсом демонов требует довольно специфических условий, и никому не было ясно, должен ли рутенат стронция вообще иметь демона», — сказал он. «Нам пришлось провести микроскопический расчет, чтобы прояснить, что происходит. Когда мы это сделали, мы обнаружили частицу, состоящую из двух электронных полос, колеблющихся в противофазе с почти одинаковой амплитудой, как описал Пайнс».
Важность простого измерения вещей
По словам Аббамонте, не случайно его группа обнаружила демона «по счастливой случайности». Он подчеркнул, что он и его группа использовали метод, который не получил широкого распространения на веществе, которое не было хорошо изучено. То, что они обнаружили что-то неожиданное и значительное, является следствием того, что они просто пытались сделать что-то другое, считает он.
«Это говорит о важности простого измерения вещей», — сказал он. «Большинство больших открытий не планируются. Вы идете искать что-то новое и смотрите, что там есть».
