Квазичастица «Демон Пайнса» наконец-то обнаружена после десятилетий предсказаний

Физики, изучающие экзотический материал, наткнулись на важное квантовое явление, предсказанное десятилетия назад.

Явление называется Демон Пайнса, и оно было предсказано в 1956 году физиком Дэвидом Пайнсом, и его открытие в материале под названием рутенат стронция (Sr₂RuO₄) знаменует собой первое обнаружение его в равновесном трехмерном металле.

Поскольку предсказано, что Демон Пайнса будет играть важную роль в широком спектре явлений, таких как переходы в определенных видах полуметаллов и сверхпроводимость, работа имеет важные последствия для физики материалов.

Обычно в науке «демон» является гипотетическим противником, с которым ученые и философы могут спорить в мысленном эксперименте, но Демон Пайнса совсем другой.

На самом деле это тип плазмона — дискретная единица волн среди ряби, проходящей через популяцию электронов. Плазмоны были описаны как квантовый аналог акустического звука в классическом газе.

Пайнс назвал этот плазмон «демоном» в честь Джеймса Максвелла, который придумал Демона Максвелла, а также потому, что это отчетливое движение электронов, или DEM.

Когда звуковая волна проходит сквозь скопление частиц, она постепенно затихает, когда колебание прекращается. Однако, как квантовые «звуки», плазмон действует по принципу «все или ничего». Для каждого увеличения частоты требуется очень определенное количество энергии.

Демон Пайнса — это плазмонная частота, не требующая электрического заряда. Она возникают, когда электроны в материале, которые имеют разные энергетические диапазоны или полосы, движутся в противофазе.

Нет передачи энергии, но есть сдвиг в заполнении полос. «Демон» — это нейтральная коллективная мода, которая была заглушена или экранирована другой полосой электронов.

Плазмоны были замечены и широко изучены в двумерных металлах, но поскольку они электрически нейтральны и не взаимодействуют со светом, их трудно обнаружить. Это подводит нас к рутенату стронция.

При низких температурах материал действует как сверхпроводник. При более высоких температурах он становится немного странным и превращается в так называемый плохой металл, свойства которого не обязательно ведут себя так, как мы ожидаем.

По словам группы ученых под руководством физика Али Хусейна, это также отличный кандидат для идентификации демонов — с тремя вложенными полосами электронов, две из которых аналогично контрастируют с первоначальной концепцией демона 1956 года.

Исследователи изучали рутенат стронция с помощью электронной спектроскопии, когда обнаружили в данных что-то похожее на квазичастицу, то есть коллективное возбуждение, которое ведет себя как частица.

Известно довольно много квазичастиц, но то, что обнаружили исследователи, не соответствовало ни одной из них. Ее скорость была слишком велика, чтобы быть акустическим фононом; и слишком медленной, чтобы частица была поверхностным плазмоном.

Последующий анализ показал, что наиболее вероятным кандидатом был демон; и команда даже смогла воспроизвести обнаружение. И изучение его свойств вызвало некоторые вопросы.

Например, демпфирующий эффект оказался меньше, чем ожидалось, и в разных электронных зонах были любопытные дыры.

На данный момент это в значительной степени то, где находится исследование, но оно, безусловно, созрело для продолжения, особенно с учетом того, что демоны могут играть решающую роль в сверхпроводимости.

Исследователи считают, что другие металлы могут быть хорошими местами для изучения, чтобы наблюдать, как их поведение может измениться в ряде контекстов, и что исследования с более высоким разрешением могут быть возможны с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Ученые надеются, что это могло бы ответить на новые вопросы и помочь разработать более полную и сложную теорию демонов.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.