Elektrony zazwyczaj mają masę i ładunek elektryczny, ale w 1956 r. fizyk teoretyczny David Pines zasugerował, że w pewnych okolicznościach mogą zachowywać się w zupełnie inny sposób. Czasami w ciele stałym mogą łączyć się w cząstkę kompozytową, która jest bezmasowa, elektrycznie obojętna i nie oddziałuje ze światłem. Ten hipotetyczny obiekt został nazwany “demonem” i był poszukiwany od dekad – bez skutku. Aż do teraz.
Czytaj też: Kwantowy świat jest fascynujący. Ta cząstka pamięta swoją własną przeszłość
Zespół uczonych z University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) pod kierunkiem prof. Petera Abbamonte w końcu znalazł demona Pinesa, co zostało opisane w czasopiśmie w Nature. Udało się to dzięki zastosowaniu niestandardowej techniki eksperymentalnej, która pozwoliła dostrzec sygnaturę demona w rutenianie strontu (Sr2RuO4).
Prof. Peter Abbamonte mówi:
Istnienie demonów teoretycznie sugerowano od dawna, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali. Ba, w rzeczywistości nawet ich nie szukaliśmy. Okazało się jednak, że robiliśmy dokładnie to, co trzeba, i znaleźliśmy je.
Polowanie na demona zakończone
W ciałach stałych elektrony tracą swoją indywidualność i łączą się w większe jednostki. Dysponując odpowiednimi nakładami energii można w ten sposób stworzyć cząstki kompozytowe zwane plazmonami, obdarzone ładunkiem i masą określonymi przez podstawowe oddziaływania elektryczne. Ale zazwyczaj nie jest to możliwe do osiągnięcia w temperaturze pokojowej.
Czytaj też: Przełom: miony to cząstka, która łamie prawa fizyki. Właśnie to potwierdzono
Zgodnie z założeniami Pinesa sprzed 67 lat, jeżeli dane ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym (jak wiele metali), ich plazmony mogą tworzyć cząstkę, która jest bezmasowa i neutralna: demona. Teoretycznie powinny one istnieć we wszystkich temperaturach (ze względu na brak masy), więc mogą mieć ważny wpływ na zachowanie metali, a nawet nie zdajemy sobie o tym sprawy.
Ale neutralność elektryczna demonów oznacza, że nie pozostawiają one po sobie śladów w klasycznych eksperymentach ze światłem. Zespół prof. Abbamonte odkrył demona Pinesa przypadkiem. Fizycy badali rutenian strontu, gdyż metal jest podobny do nadprzewodników wyskotemperaturowych, choć sam nim nie jest. Uczeni chcieli dowiedzieć się, czym jest to spowodowane.
Wysokiej jakości próbki rutenianu strontu zostały przebadane przy pomocy spektroskopii strat energii elektronów z detekcją pędu. To niestandardowa technika, która wykorzystuje energię elektronów wystrzeliwanych w metal, aby bezpośrednio obserwować tworzące się plazmony. Podczas przeglądania danych naukowcy odkryli jednak coś niezwykłego: tryb elektronu, ale bez masy. Początkowo uczeni nie mieli pojęcia, co to jest, gdyż nie szukali demonów Pinesa (przez wielu ekspertów ich istnienie było kwestionowane).
Edwin Huang, stypendysta Moore’a na UIUC i teoretyk materii skondensowanej, został poproszony o obliczenie cech struktury elektronowej rutenianu strontu. Wszystko się zgadzało:
Przewidywania Pinesa dotyczące demonów wymagają dość specyficznych warunków, a dla nikogo nie było jasne, czy rutenian strontu w ogóle powinien mieć demona. Musieliśmy przeprowadzić obliczenia mikroskopowe, aby wyjaśnić, co się dzieje. Kiedy to zrobiliśmy, znaleźliśmy cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronowych oscylujących poza fazą z prawie równą wielkością, tak jak opisał to Pines.
Odkrycie demona Pinesa nie byłoby możliwe, gdyby nie zastosowanie nietypowej techniki w odniesieniu do substancji, która nie została dobrze zbadana. To “przypadkowe” odkrycie jest nieoczekiwane, ale ma ogromne znacznie dla całego świata fizyki teoretycznej.