И вот группа исследователей во главе с Питером Аббамонте, профессором физики в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, наконец-то нашла демона Пайнса через 67 лет после того, как он был предсказан. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они использовали нестандартную экспериментальную технику, которая непосредственно возбуждает электронные моды материала, позволяя им увидеть подпись демона в металлическом рутинате стронция.
Демоны были теоретически предположены в течение длительного времени, но экспериментаторы никогда не изучали их. На самом деле, мы даже не искали его. Но оказалось, что мы поступаем совершенно правильно, и мы это нашли
— Питер Аббамонте.
Неуловимый демон
Одно из самых важных открытий физики конденсированного состояния заключается в том, что электроны теряют свою индивидуальность в твердых телах. Электрические взаимодействия заставляют электроны объединяться, образуя коллективные единицы. При достаточной энергии электроны способны даже образовывать составные частицы, называемые плазмонами, с новым зарядом и массой, определяемыми лежащими в основе электрическими взаимодействиями. Однако масса обычно настолько велика, что плазмоны не могут образовываться с энергиями, доступными при комнатной температуре.
Пайнс нашел исключение. Если твердое тело имеет электроны в более чем одной энергетической зоне, как это делают многие металлы, он утверждал, что их соответствующие плазмоны могут объединяться в противофазной схеме, образуя новый плазмон, который является безмассовым и нейтральным: демон. Поскольку демоны не имеют массы, они могут формироваться с любой энергией, поэтому они способны существовать при любых температурах. Это привело к предположению, что они оказывают важное влияние на поведение многозонных металлов.
Высокоэнергетические спектры M-EELS от SrRuO. a, Концептуальная иллюстрация экспериментов по отражению M-EELS от расщепленной поверхности SrRuO. b, сканирование потерь энергии с фиксированной q (в r.l.u.) для выборки значений q вдоль (1,0) кристаллографического направления, взятых при T = 300 K.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированными средами. Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряет оптические свойства, но электрическая нейтральность означает, что демоны не взаимодействуют со светом. Нужен был совершенно другой эксперимент
— Питер Аббамонте.
Счастливое открытие
Аббамонте вспоминает, что он и его сотрудники изучали рутенат стронция по несвязанной причине — металл похож на высокотемпературные сверхпроводники, но не является таковым. Надеясь найти ключи к разгадке того, почему это явление происходит в других системах, они проводили первое исследование электронных свойств металла.
Исследовательская группа Йоши Маэно, профессора физики в Киотском университете, синтезировала высококачественные образцы металла, которые Аббамонте и бывший аспирант Али Хусейн исследовали с помощью спектроскопии потерь энергии электронов с разрешением импульса. Нестандартный метод, он использует энергию электронов, выстреливаемых в металл, для непосредственного наблюдения за особенностями металла, включая формирующиеся плазмоны. Однако, просматривая данные, исследователи обнаружили нечто необычное: электронный режим без массы.
Сначала мы понятия не имели, что это такое. Демоны не в мейнстриме. Такая возможность появилась на раннем этапе, и мы в основном посмеялись над ней. Но когда мы начали исключать ситуацию, мы начали подозревать, что действительно нашли демона
— Али Хусейн.
