L'esistenza di una quasiparticella “demone” prevista 70 anni fa è confermata dalla scienza

Una quasiparticella diabolica… David Baines predisse un comportamento relativamente strano degli elettroni in alcuni metalli. Gli elettroni hanno intrinsecamente massa e carica elettrica. Pertanto, il fisico ha confermato che potrebbero combinarsi per formare una particella composita priva di massa, neutra e che non interagisce con la luce. Tuttavia, gli scienziati ritengono che questa particella svolga un ruolo importante nelle proprietà ottiche di metalli e semiconduttori

Questa particella diabolica sarebbe particolarmente responsabile delle transizioni di fase in alcuni tipi di metalloidi, delle proprietà ottiche delle nanoparticelle metalliche o persino della superconduttività ad alta temperatura negli idruri metallici. Poiché sono elettricamente neutri, i demoni sono molto difficili da individuare. ” Ne siamo consapevoliLa stragrande maggioranza degli esperimenti avviene con la luce, dove misuriamo Proprietà ottiche. Tuttavia, la neutralità elettrica dei demoni significa che non interagiscono con la luce “, Spiega Pietro Abamonte. È professore di fisica all'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ed è stato coinvolto in questa scoperta.

Modalità collettiva, neutrale e non universitaria

All'interno di un solido, gli elettroni perdono il loro carattere. Le interazioni elettriche significano che tendono a combinarsi per formare unità collettive. Con sufficiente energia, gli elettroni possono formare i cosiddetti plasmoni. Questi sono quanti oscillatori del plasma. Proprio come la luce (oscillazione ottica) è costituita da fotoni, l'oscillazione del plasma è costituita da plasmoni.

I plasmoni hanno una nuova carica e una nuova massa. Questi sono determinati dalle interazioni elettriche di base. Tuttavia, la massa è generalmente troppo grande per essere formata dalle energie disponibili a temperatura ambiente… tranne in un caso particolare, secondo David Baines. Se un solido contiene elettroni in più di una banda energetica – come fanno molti metalli – i suoi plasmoni possono combinarsi per formare un nuovo plasmone neutro privo di massa.

” [Ce] Una nuova modalità collettiva, chiamata “diavolo”, appare quando gli elettroni di bande diverse si spostano fuori fase. Ciò non comporta alcun trasferimento netto di compensi ma piuttosto un adeguamento dell'occupazione della banda “, Spiegazione dei ricercatori in natura. I demoni non hanno massa. Possono quindi teoricamente formarsi con qualsiasi energia, e possono quindi esistere a tutte le temperature. Ciò spiegherebbe in particolare il comportamento speciale di alcuni minerali.

” Sui demoni si è speculato in teoria per molto tempo. Tuttavia, non è mai stato studiato dagli sperimentatori Abamonte ha detto. Le proprietà specifiche dei demoni sono anche il motivo per cui non possono ancora essere rilevati nei minerali 3D. Quindi era necessario progettare un’esperienza completamente diversa.

Scoprire il diavolo per caso

La neutralità dei demoni significa che non lasciano alcuna forma di firma nelle tradizionali esperienze di materia condensata. Fortunatamente Abamonte e i suoi collaboratori utilizzavano una tecnica sperimentale non standard. Si scopre che stavano studiando le proprietà elettroniche del rutenato di stronzio (Sr2RuO4). Tuttavia, questo metallo è strutturalmente molto simile ai superconduttori ad alta temperatura di tipo cuprato. È anche il primo superconduttore di perovskite identificato che non contiene rame.

Per analizzare il campione minerale, hanno utilizzato la spettroscopia di perdita di energia elettronica, un diverso tipo di microscopio elettronico. Questa tecnica consiste nel bombardare un materiale con un fascio di elettroni con energie cinetiche ben definite e limitate. Il rutenato di stronzio (Sr2RuO4) ha tre bande energetiche entangled, α, β e γ, che passano attraverso l'energia di Fermi, cioè l'energia del livello quantico occupato più alto.

Dispersione della modalità diabolica nella direzione (1,0) a T = 30 K (a, in blu) e 300 K (b, in rosso), rispetto alla dispersione prevista dall'approssimazione di fase casuale (RPA) (in grigio). L'eccitazione debolmente dispersiva a 63 meV è un fonone ottico. Crediti: Hussein et al., Natura (2023)

Questa tecnica non standard utilizza l'energia degli elettroni iniettati in un metallo per osservare direttamente le sue proprietà, compresi i plasmoni che si formano. Alcuni elettroni subiscono una diffusione anelastica. Ciò significa che perdono energia e il loro percorso è leggermente distorto. I ricercatori hanno esaminato i dati. E così hanno trovato qualcosa di insolito. Una modalità elettronica senza massa, che non era altro che la firma del diavolo nella rutenite di stronzio.

Infatti la velocità di questa quasiparticella non può corrispondere né ad un fonone acustico né ad un plasmone di superficie. ” All'inizio non avevamo idea di cosa fosse. I demoni non fanno parte del mainstream. Questa possibilità è stata menzionata molto presto e ne abbiamo riso sopra. Ma quando cominciammo a escludere alcune cose, cominciammo a dubitare di aver effettivamente trovato il diavolo », racconta Ali Hussein, primo autore dello studio.

Questa quasiparticella diabolica potrebbe portarci a una migliore comprensione dei superconduttori

Per verificare la loro teoria e confermare che la rutenite di stronzio potrebbe effettivamente rappresentare un demone, il team ha chiesto a Edwin Huang, un teorico della materia condensata, di calcolare le proprietà della struttura elettronica del metallo. ” Abbiamo dovuto fare un calcolo microscopico per spiegare cosa stava succedendo. Scoprimmo quindi una particella costituita da due bande di elettroni che oscillavano fuori fase con ampiezza approssimativamente uguale, proprio come aveva descritto Baines “, spiega il fisico.

Sembra che la serendipità abbia colpito ancora e Abamonte ne è felice. Sottolinea che lui e il suo team hanno utilizzato una tecnica poco utilizzata, su un materiale poco studiato. Il fatto che alla fine siano riusciti a trovare qualcosa di eccezionale dimostra quanto sia importante l’innovazione nella ricerca. ” Non pianifichiamoLe più grandi scoperte. Cercheremo qualcosa di nuovo e vedremo cosa c'è là fuori “, ha affermato.

Questo risultato suggerisce che i diavoli potrebbero essere una caratteristica onnipresente dei minerali multiscala. Potrebbe aiutare a spiegare come funzionano i superconduttori. Pines Demon potrebbe aiutare a fabbricare superconduttori a temperatura ambiente. La teoria standard, chiamata teoria BCS, spiega la superconduttività mediante la formazione di coppie di elettroni (chiamate coppie di Cooper) sotto l'influenza di un'interazione attrattiva tra elettroni risultante dallo scambio di fononi. È possibile che anche Devil Baines contribuisca a riunire gli elettroni. Ciò porterà quindi a superconduttori migliori.

L'articolo è stato originariamente pubblicato il 15 agosto 2023