Konstig “demonisk” partikel som hittas inuti supraledaren kan hjälpa till att avmystifiera fysikens “heliga graal”

By | August 12, 2023

Forskare har äntligen hittat en subatomisk “demon”-partikel som förutspåddes existera för nästan sju decennier sedan och som spekulerades spela en viktig roll i beteendet hos en mängd olika metaller och legeringar, inklusive supraledare.

Fysikern David Pines 1956 teoretiserade att elektroner, som normalt har massa och en negativ elektrisk laddning, under vissa förhållanden kan kombineras för att bilda en sammansatt “demon”-partikel som är masslös, neutral och inte interagerar med ljus.

Dessa teoretiserade intressanta egenskaper har dock fått dessa partiklar att undgå upptäckt – fram till nu.

Efter en nästan 70-årig sökning efter dessa subatomära enheter, har forskare, inklusive de vid University of Illinois Urbana-Champaign, äntligen hittat signaturer av Dr. Pines “demon”-partiklar i strontiumruthenatmetall.

“Demoner har teoretiskt antagits under lång tid, men experimentalister har aldrig studerat dem. Faktum är att vi inte ens tittade. Men vi fann att vi gjorde exakt rätt sak och fann det”, säger studiens medförfattare Peter Abbamonte.

Det är känt att elektroner – som är fördelade i olika energiband inom atomer – förlorar sin individualitet i fasta ämnen med elektriska interaktioner som får partiklarna att kombineras till kollektiva enheter.

Med viss tröskelenergi har studier också visat att elektroner kan bilda sammansatta partiklar som kallas plasmoner med en ny laddning och massa.

Men massan är så stor att dessa plasmonpartiklar inte kan bildas med den typ av energi som finns tillgänglig vid rumstemperatur. Uppenbarelserna om halvledare vid rumstemperatur anses vara en av fysikens “heliga graler”.

Men Dr Pines teoretiserade att om ett fast ämne har elektroner i mer än ett energiband, som många metaller gör, kan deras respektive plasmoner kombineras i ett ur-fasmönster för att bilda en ny masslös, neutral plasmon – en demon.

Eftersom dessa speciella partiklar är masslösa, resonerade han att de kan bildas vid vilken energi som helst och kan existera vid alla temperaturer – vilket leder till spekulationer om att demoner har viktiga effekter på beteendet hos vissa metaller med flera energiband.

“De allra flesta experiment görs med ljus och mäter optiska egenskaper, men att vara elektriskt neutral betyder att demoner inte interagerar med ljus”, förklarade Dr Abbamonte.

Därför behövdes ett helt nytt experiment för att upptäcka dem.

I forskningen studerade forskarna föreningen strontiumruthenat eftersom den liknar högtemperatursupraledare – en speciell typ av material där det elektriska motståndet försvinner.

För en undersökning av metallens elektroniska egenskaper syntetiserade de högkvalitativa prover av metallen.

De tillämpade sedan en teknik för att studera metallen som använder energi från elektroner som skjuts in i metallen för att direkt observera metallens egenskaper, inklusive plasmoner som bildas.

Medan de observerade elektroniska interaktioner upptäckte forskare något ovanligt – ett masslöst elektroniskt läge.

“Först hade vi ingen aning om vad det var. Demoner är inte i mainstream. Möjligheten dök upp tidigt och vi skrattade i princip åt det. Men när vi började avfärda saker började vi misstänka att vi verkligen hade stött på djävulen, säger Ali Husain, en annan författare till studien.

Forskarna försökte sedan beräkna hur elektronerna är fördelade över banden inom strontiumrutenat.

Dr Pines förutsägelser indikerar att det finns specifika förhållanden under vilka “demoner” sannolikt kommer att bildas, och det återstår att se om strontiumrutenat skulle ha partikeln.

“Vi var tvungna att göra en mikroskopisk beräkning för att klargöra vad som hände. När vi gjorde detta hittade vi en partikel bestående av två band av elektroner som oscillerar ur fas med nästan lika stor storlek, exakt som beskrivits av Pines,” fann Edwin Huang, en annan författare till studien.

“Vår studie bekräftar en 67-årig förutsägelse och indikerar att demoner kan vara ett utbrett inslag i flerbandsmetaller”, skrev forskarna i studien.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *