Konstiga 67-åriga partikelfysikförutsägelser bekräftades äntligen

By | August 28, 2023

Pine devils rendering

Forskarna upptäckte demonen Pines, en samling elektroner i en metall som beter sig som en masslös våg. Kredit: Grainger College of Engineering vid University of Illinois Urbana-Champaign

67 år efter dess teoretiska förutsägelse av David Pines, har den svårfångade “demoniska” partikeln, en masslös, neutral enhet i fasta ämnen, upptäckts i strontiumrutenat, vilket understryker värdet av innovativa forskningsmetoder.

1956 förutspådde den teoretiske fysikern David Pines att elektroner i ett fast ämne kan göra något konstigt. Även om elektroner normalt har massa och elektrisk laddning, hävdade Pines att de kunde kombineras för att skapa en masslös, neutral kompositpartikel som inte interagerar med ljus. Han kallade denna teoretiska partikel för en “demon”. Det har sedan dess teoretiserats spela en viktig roll i beteendet hos en mängd olika metaller. Tyvärr har just egenskaperna som gör det intressant gjort det möjligt för den att undgå upptäckt sedan dess förutsägelse.

Snabbspola framåt 67 år, och ett forskarteam ledd av Peter Abbamonte, professor i fysik vid University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), har äntligen hittat den svårfångade Pines-demonen. Som forskare rapporterar i tidskriften Naturde använde en icke-standard experimentell teknik som direkt exciterar ett materials elektroniska lägen, vilket gör att de kan se djävulens signatur i strontiumruthenatmetall.

“Demoner har teoretiskt antagits under lång tid, men experimentalister har aldrig studerat dem”, sa Abbamonte. “Vi letade faktiskt inte ens efter det. Men vi upptäckte att vi gjorde helt rätt och vi kom på det.”

Den obeskrivliga demonen

En av de viktigaste upptäckterna inom den kondenserade materiens fysik är att elektroner förlorar sin individualitet i fasta ämnen. Elektriska interaktioner gör att elektroner kombineras för att bilda kollektiva enheter. Med tillräckligt med energi kan elektroner till och med bilda sammansatta partiklar som kallas plasmoner med en ny laddning och massa som bestäms av underliggande elektriska interaktioner. Massan är dock vanligtvis så stor att plasmoner inte kan bildas med de energier som finns tillgängliga vid rumstemperatur.

Pines hittade ett undantag. Om ett fast ämne har elektroner i mer än ett energiband, som många metaller gör, resonerade han att deras respektive plasmoner kan kombineras i ett ur-fasmönster för att bilda en ny masslös, neutral plasmon: en demon. Eftersom demoner inte har någon massa kan de bildas med vilken energi som helst, därför kan de existera vid alla temperaturer. Detta har lett till spekulationer om att de har viktiga effekter på beteendet hos flerbandsmetaller.

Demonernas neutralitet innebär att de inte lämnar en signatur på standardexperiment med kondenserad materia. “De allra flesta experiment görs med ljus och mäter optiska egenskaper, men att vara elektriskt neutral betyder att demoner inte interagerar med ljus”, säger Abbamonte. “En helt annan typ av experiment behövdes.”

en oväntad upptäckt

Abbamonte minns att han och hans medarbetare studerade strontiumruthenat av en orelaterade anledning – metallen liknar, utan att vara en av, högtemperatursupraledare. I hopp om att hitta ledtrådar till varför fenomenet uppstår i andra system genomförde de den första undersökningen av metallens elektroniska egenskaper.

Forskargruppen av Yoshi Maeno, professor i fysik vid Kyoto University, syntetiserade högkvalitativa prover av metallen som Abbamonte och den tidigare studenten Ali Husain undersökte med momentumupplöst elektronenergiförlustspektroskopi. En icke-standardteknik som använder energi från elektroner som skjuts in i metallen för att direkt observera metallens egenskaper, inklusive de plasmoner som bildas. Men när forskarna analyserade data hittade de något ovanligt: ​​ett masslöst elektroniskt läge.

Husain, nu forskare vid Quantinuum, mindes: “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 faktiskt hade hittat demonen.”

Edwin Huang, en Moore postdoktor vid UIUC och en kondenserad materia teoretiker, blev så småningom ombedd att beräkna egenskaperna hos den elektroniska strukturen av strontiumrutenat. “Pines demon förutsägelse kräver mycket specifika villkor, och det var inte klart för någon om strontiumruthenat skulle ha en demon,” sa han. “Vi var tvungna att göra en mikroskopisk beräkning för att klargöra vad som hände. När vi gjorde det hittade vi en partikel bestående av två band av elektroner som oscillerar ur fas med nästan lika stor storlek, precis som Pines beskrev.”

lyckan med sökandet

Enligt Abbamonte var det ingen slump att hans grupp upptäckte demonen “av en slump”. Han betonade att han och hans grupp använde en teknik som inte är allmänt använd på ett ämne som inte har studerats väl. Att de hittat något oväntat och meningsfullt är ett resultat av att de helt enkelt försökt något annat, tror han, snarare än ren tur.

“Det visar vikten av att bara mäta saker,” sa han. “De flesta stora upptäckter är oplanerade. Du går och tittar på något nytt och ser vad som finns där.”

Referens: “Demon of Pines observerades som en 3D akustisk plasmon i Mr.tvåRuO4”av Ali A. Husain, Edwin W. Huang, Matteo Mitrano, Melinda S. Rak, Samantha I. Rubeck, Xuefei Guo, Hongbin Yang, Chanchal Sow, Yoshiteru Maeno, Bruno Uchoa, Tai C. Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips och Peter Abbamonte, 9 augusti 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abbamonte är medlem i UIUC Materials Research Laboratory. Huang är medlem av Institute for Condensed Matter Theory vid UIUC.

Professorerna Philip Phillips från UIUC, Matteo Mitrano från Harvard University, Bruno Uchoa från University of Oklahoma och Philip Baston från Rutgers University bidrog till detta arbete.

Stöd gavs av det amerikanska energidepartementet, Japanese Society for the Promotion of Science, National Science Foundation och Gordon and Betty Moore Foundation.

Leave a Reply

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