Het bestaan ​​van een ‘demon’-quasideeltje dat zeventig jaar geleden werd voorspeld, wordt door de wetenschap bevestigd

Een duivels quasideeltje… David Baines voorspelde relatief vreemd gedrag van elektronen in sommige metalen. Elektronen hebben inherent massa en elektrische lading. Zo bevestigde de natuurkundige dat ze zich konden combineren om een ​​samengesteld deeltje te vormen dat massaloos en neutraal is en geen interactie heeft met licht. Wetenschappers zijn echter van mening dat dit deeltje een belangrijke rol speelt in de optische eigenschappen van metalen en halfgeleiders

Dit duivelse deeltje zou in het bijzonder verantwoordelijk zijn voor faseovergangen in bepaalde soorten metalloïden, de optische eigenschappen van metalen nanodeeltjes, of zelfs supergeleiding bij hoge temperaturen in metaalhydriden. Omdat ze elektrisch neutraal zijn, zijn demonen erg moeilijk te detecteren. ” Wij zijn ons ervan bewustDe overgrote meerderheid van de experimenten vindt plaats met licht, waar we meten Optische eigenschappen. De elektrische neutraliteit van demonen betekent echter dat ze geen interactie hebben met licht “, Peter Abamonte legt het uit. Hij is hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en was betrokken bij deze ontdekking.

Collectieve, neutrale en niet-universitaire modus

In een vaste stof verliezen elektronen hun karakter. Door elektrische interacties hebben ze de neiging zich te combineren om collectieve eenheden te vormen. Met voldoende energie kunnen elektronen zogenaamde plasmonen vormen. Dit zijn de hoeveelheden plasma-oscillaties. Net zoals licht (optische oscillatie) uit fotonen bestaat, bestaat plasma-oscillatie uit plasmonen.

Plasmonen hebben een nieuwe lading en een nieuwe massa. Deze worden bepaald door fundamentele elektrische interacties. De massa is echter over het algemeen te groot om te worden gevormd uit de energieën die beschikbaar zijn bij kamertemperatuur… behalve in één specifiek geval, aldus David Baines. Als een vaste stof elektronen in meer dan één energieband bevat – zoals veel metalen doen – kunnen de plasmonen zich combineren om een ​​nieuw massaloos neutraal plasmon te vormen.

” [Ce] Een nieuwe collectieve modus, de “duivel” genoemd, verschijnt wanneer de elektronen van verschillende banden uit fase raken. Dit resulteert niet in een netto overdracht van vergoedingen, maar eerder in een aanpassing van de bandbezetting “, Uitleg van de onderzoekers in natuur. Demonen hebben geen massa. Ze kunnen daarom theoretisch met elke energie worden gevormd en kunnen daarom bij alle temperaturen voorkomen. Dit zou met name het bijzondere gedrag van sommige mineralen verklaren.

” Er wordt in theorie al heel lang over demonen gespeculeerd. Het is echter nooit door onderzoekers onderzocht zei Abamonte. De specifieke eigenschappen van demonen zijn tevens de reden dat ze nog niet in 3D-mineralen kunnen worden gedetecteerd. Het was dus nodig om een ​​compleet andere ervaring te ontwerpen.

Bij toeval de duivel ontdekken

De neutraliteit van demonen betekent dat ze geen enkele vorm van signatuur achterlaten in traditionele ervaringen met gecondenseerde materie. Gelukkig gebruikten Abamonte en zijn medewerkers een niet-standaard experimentele techniek. Het blijkt dat ze de elektronische eigenschappen van strontiumruthenaat (Sr2RuO4) bestudeerden. Dit metaal lijkt echter structureel sterk op hoge-temperatuur-supergeleiders van het cuprate-type. Het is ook de eerste perovskiet-supergeleider die geen koper bevat.

Om het mineraalmonster te analyseren, gebruikten ze elektronenenergieverliesspectroscopie, een ander type elektronenmicroscoop. Deze techniek bestaat uit het bombarderen van een materiaal met een elektronenbundel met nauwkeurig gedefinieerde en beperkte kinetische energie. Strontiumruthenaat (Sr2RuO4) heeft drie verstrengelde energiebanden, α, β en γ, die door de Fermi-energie gaan, d.w.z. de energie van het hoogste bezette kwantumniveau.

Duivelse modusdispersie in de (1,0) richting bij T = 30 K (a, in blauw) en 300 K (b, in rood), vergeleken met de spreiding verwacht door Random Phase Approximation (RPA) (in grijs). De zwak dispersieve excitatie bij 63 meV is een optisch fonon. Credits: Hussein et al., Natuur (2023)

Deze niet-standaard techniek maakt gebruik van de energie van elektronen die in een metaal worden geïnjecteerd om de eigenschappen ervan direct waar te nemen, inclusief de plasmonen die zich vormen. Sommige elektronen ondergaan inelastische diffusie. Dit betekent dat ze energie verliezen en dat hun pad enigszins scheef is. De onderzoekers bestudeerden de gegevens. En dus vonden ze iets ongewoons. Een massaloze elektronenmodus, die niets anders was dan de handtekening van de duivel in strontiumrutheniet.

In feite kan de snelheid van dit quasideeltje noch overeenkomen met een akoestisch fonon, noch met een oppervlakteplasmon. ” In eerste instantie hadden we geen idee wat het was. Demonen maken geen deel uit van de mainstream. Deze mogelijkheid werd al heel vroeg ter sprake gebracht en we lachten erom. Maar toen we dingen begonnen uit te sluiten, begonnen we te twijfelen of we de duivel wel hadden gevonden », vertelt Ali Hussein, eerste auteur van het onderzoek.

Dit duivelse quasideeltje zou ons kunnen leiden tot een beter begrip van supergeleiders

Om hun theorie te verifiëren en te bevestigen dat strontiumrutheniet inderdaad een demon zou kunnen vertegenwoordigen, vroeg het team Edwin Huang, een theoreticus van de gecondenseerde materie, om de eigenschappen van de elektronische structuur van het metaal te berekenen. ” We moesten een microscopische berekening uitvoeren om uit te leggen wat er gebeurde. Vervolgens ontdekten we een deeltje dat bestond uit twee banden van elektronen die uit fase oscilleerden met ongeveer gelijke amplitude, precies zoals Baines had beschreven “, legt de natuurkundige uit.

Het lijkt erop dat de serendipiteit weer heeft toegeslagen en Abamonte is er blij mee. Hij benadrukt dat hij en zijn team een ​​techniek hebben gebruikt die niet veel wordt gebruikt, op een materiaal dat nog weinig is bestudeerd. Dat ze uiteindelijk iets bijzonders vonden, laat zien hoe belangrijk innovatie is in onderzoek. ” Wij plannen nietDe meeste grote ontdekkingen. We gaan op zoek naar iets nieuws en kijken wat er is “, hij beweerde.

Dit resultaat suggereert dat duivels een alomtegenwoordig kenmerk kunnen zijn van meerschalige mineralen. Het zou kunnen helpen verklaren hoe supergeleiders werken. Pines Demon zou kunnen helpen bij het fabriceren van supergeleiders op kamertemperatuur. De standaardtheorie, BCS-theorie genoemd, verklaart supergeleiding door de vorming van elektronenparen (Cooper-paren genoemd) onder invloed van een aantrekkelijke interactie tussen elektronen als gevolg van de uitwisseling van fononen. Mogelijk draagt ​​Devil Baines ook bij aan het bij elkaar brengen van de elektronen. Dit zal leiden tot betere supergeleiders.

Het artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op 15 augustus 2023