Usynlig elektron 'dæmon' opdaget i ulige superleder | Quanta Magasinet

I 1956 formulerede David Pines et fantom. Han forudsagde eksistensen af ​​hav af elektriske krusninger, der kunne neutralisere hinanden og gøre det samlede hav ubevægeligt, selv når individuelle bølger ebbede ud og flød. Mærkeligheden, der blev kendt som Pines' dæmon, ville være elektrisk neutral og derfor usynlig for lys - definitionen af ​​svær at opdage.

I løbet af årtierne lykkedes det fysikere at få et glimt af dæmonvarianter. Men Pines' originale dæmon - som ville opstå naturligt fra elektroner i metalliske blokke - blev uopdaget.

Nu ser et hold fysikere ved University of Illinois, Urbana-Champaign ud til at have set Pines' dæmon. Efter at have forfinet en teknik til præcist at spore elektroner, mens de rikochetterer et materiale, producerede og detekterede holdet en række periodiske bølger, der rislede gennem sværme af elektroner. Disse bølger, som fysikere kalder "tilstande", matcher stort set Pines' beregninger. Forskerne detaljerede deres resultater in Natur i august.

"Disse tilstande er ikke blevet set i 70 år," sagde Piers Coleman, en teoretisk fysiker ved Rutgers University. Men dette nye eksperiment, på en eller anden måde, "optager disse dæmontilstande."

Forestil dig dæmoner

1950'erne var en højkonjunktur for at studere elektroner i metaller. Fysikere havde allerede udviklet en forsimplet teori, der ignorerede elektronernes tendens til at skubbe hinanden væk og behandlede dem kollektivt, som om de dannede en slags fritstrømmende gas. I 1952 gik Pines og hans rådgiver, David Bohm, et skridt videre. Efter at have tilføjet elektroninteraktioner til denne "elektrongas"-teori, fandt de ud af, at elektroner kunne samle sig nogle steder og spredes ud andre. Disse klyngeelektroner dannede pæne bølger med skiftevis højere og lavere tæthed (og derfor områder med højere og lavere elektrisk ladning).

Pines skubbede derefter den nye teori yderligere endnu. Han forestillede sig et materiale, der indeholdt to gasser, hver lavet af en anden type ladede partikler. Specifikt forestillede han sig et metal med "tunge" elektroner og "lette" elektroner. (Alle elektroner er identiske i teorien, men i den virkelige verden afhænger deres målbare egenskaber af deres miljø.) Pines fandt ud af, at bølger i den første gas kunne neutralisere bølger i den anden; hvor tunge elektroner samlet sig, ville lette elektroner tynde ud. Så, efterhånden som de tunge elektronklynger spredte sig, ville de lettere elektroner samle sig for at udfylde de tyndere pletter. Fordi en gas blev tykkere præcis, hvor den anden gas fortyndede, ville den samlede elektrontæthed af begge typer sammen - og derfor den samlede ladning og elektriske felt - forblive neutral og uforanderlig. "Ting kan bevæge sig, selv når de ikke ser ud til at være det," sagde Anshul Kogar, en kondenseret stof-fysiker ved University of California, Los Angeles.

Lys reflekteres kun fra genstande med en ujævn fordeling af elektrisk ladning, så neutraliteten af ​​Pines' vibration gjorde det fuldstændig usynligt. Lys kommer i energipakker kaldet fotoner, og Pines døbte energipakkerne fra hans bølge "dæmoner". Navnet var et nik til dæmonisk tankeeksperiment af James Clerk Maxwell, en banebrydende fysiker, der, beklagede Pines, havde levet for tidligt til at få en partikel eller bølge opkaldt efter sig. "Jeg foreslår, at vi til ære for Maxwell, og fordi vi her beskæftiger os med et tilfælde af distinkt elektronbevægelse (eller DEM), kalder disse nye excitationer 'dæmoner'," skrev Pines i 1956.

I løbet af årtierne så fysikere dæmonlignende bølger i forskellige materialer. I 1982, forskere ved Bell Labs detekterede modsatrettede bølger i naboplader af galliumarsenid. Og i år, et hold ledet af Feng Wang fra University of California, Berkeley beskrevet et eksperiment, der fangede næsten usynlige bølger af elektroner, der slog synkront med lidt tyndere bølger af positivt ladede partikellignende genstande i et ark grafen.

Men sådanne observationer forekom hovedsageligt i todimensionelle systemer, hvor et definerende dæmonisk træk var mindre slående. På grund af et særpræg i dimensionalitet kan du i 2D sætte gang i en ladningsbølge med lige så lidt indsats, som du vil. Men i 3D kræver det et minimum af energi at starte en bølge for at få de asociale elektroner til at trænge sig sammen. De elektrisk neutrale dæmoner er skånet for dette 3D-energigebyr. "At se dæmonen i et tredimensionelt fast stof er lidt specielt," sagde Kogar, der lavede sin doktorgradsforskning med Urbana-Champaign-gruppen.

Her være dæmoner

Urbana-Champaign-holdet, ledet af Peter Abbamonte, gik aldrig på dæmonjagt. Pines' dæmon gik direkte ind i deres laboratorium.

I 2010 begyndte Abbamontes gruppe at udvikle en teknik til at opdage fine rystelser, der risler gennem horder af elektroner. De ville behænde et materiale med elektroner og præcist registrere den energi, de bar, og den vej, de tog, da de hoppede tilbage. Baseret på detaljerne i disse rikochetter, kunne gruppen udlede, hvordan materialet reagerede på kollisionen, som igen afslørede egenskaberne for alle bølger, som kollisionen skabte. Det var lidt som at afgøre, om et badekar er fyldt med vand, honning eller is ved at strø det med pingpongbolde.

For et par år siden besluttede forskerne at sætte et superledende metal kaldet strontiumruthenat i deres trådkors. Dens struktur ligner en mystisk klasse af kobberbaserede "kuprat"-superledere, men det kan fremstilles på en mere uberørt måde. Mens holdet ikke lærte hemmelighederne bag cuprates, reagerede materialet på en måde, som Ali Husain, der havde forfinet teknikken som en del af sin doktorgrad, ikke forstod.

Husain fandt ud af, at rikochetterende elektroner blev fjernet fra deres energi og momentum, hvilket indikerede, at de udløste energi-drænende krusninger i strontiumruthenatet. Men bølgerne trodsede hans forventninger: De bevægede sig 100 gange for hurtigt til at være lydbølger (som bølger gennem atomkerner) og 1,000 gange for langsomt til at være ladningsbølger, der spredte sig over metallets flade overflade. De var også ekstremt lave i energi.

"Jeg troede, det måtte være en artefakt," sagde Husain. Så han indsatte andre prøver, prøvede andre spændinger og fik endda andre mennesker til at tage målingerne.

De uidentificerede vibrationer forblev. Efter at have lavet regnestykket indså gruppen, at krusningens energier og momentum passede tæt med Pines' teori. Gruppen vidste, at i strontiumruthenat rejser elektroner sig fra atom til atom ved hjælp af en af ​​tre forskellige kanaler. Holdet konkluderede, at i to af disse kanaler synkroniserede elektronerne for at neutralisere hinandens bevægelser, idet de spillede rollerne som de "tunge" og "lette" elektroner i Pines' oprindelige analyse. De havde fundet et metal med evnen til at være vært for Pines' dæmon.

"Det er stabilt i strontiumruthenat," sagde Abbamonte. "Det er der altid."

krusningerne matcher ikke perfekt Pines' beregninger. Og Abbamonte og hans kolleger kan ikke garantere, at de ikke ser en anden, mere kompliceret vibration. Men generelt siger andre forskere, at gruppen gør en stærk sag om, at Pines' dæmon er blevet fanget.

"De har udført alle de gode trostjek, de kan gøre," sagde Sankar Das Sarma, en kondenseret materie teoretiker ved University of Maryland, der har gjort banebrydende arbejde på dæmonvibrationer.

Dæmoner sluppet løs

Nu hvor forskere har mistanke om, at dæmonen findes i rigtige metaller, kan nogle ikke lade være med at spekulere på, om de ubevægelige bevægelser har nogen virkninger fra den virkelige verden. "De burde ikke være sjældne, og de kan måske gøre ting," sagde Abbamonte.

For eksempel forbinder lydbølger, der risler gennem metalliske gitter, elektroner på en måde, der fører til superledning, og i 1981 foreslog en gruppe fysikere, at dæmon vibrationer kunne fremtrylle superledning på lignende måde. Abbamontes gruppe valgte oprindeligt strontiumruthenat for dets uortodokse superledningsevne. Måske kunne dæmonen være involveret.

"Om dæmonen spiller en rolle eller ej er lige nu uvist," sagde Kogar, "men det er en anden partikel i spillet." (Fysikere tænker ofte på bølger med visse egenskaber som partikler.)

Men den vigtigste nyhed i forskningen ligger i at opdage den længe ventede metalliske effekt. For teoretikere af kondenseret stof er fundet en tilfredsstillende koda for en 70 år gammel historie.

"Det er et interessant efterskrift til elektrongassens tidlige historie," sagde Coleman.

Og for Husain, som afsluttede sin uddannelse i 2020 og nu arbejder hos virksomheden Quantinuum, tyder forskningen på, at metaller og andre materialer vrimler med mærkelige vibrationer, som fysikere mangler instrumenteringen til at forstå.

"De sidder bare der," sagde han, "og venter på at blive opdaget."