Демоны Пайнса: найденные спустя 67 лет

В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердом теле могут делать нечто странное. Хотя обычно электроны 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 было высказано предположение, 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.


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.


— 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.




— 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.


— Али Хусейн.