Láthatatlan elektron „démont” fedeztek fel az Odd Superconductor-ban | Quanta Magazin

1956-ban David Pines megalkotott egy fantomot. Megjósolta az elektromos hullámok tengereinek létezését, amelyek semlegesíthetik egymást, mozdulatlanná téve az egész óceánt, még akkor is, amikor az egyes hullámok apadnak és áradnak. A furcsaság, amely Pines démonaként vált ismertté, elektromosan semleges lenne, és ezért láthatatlan a fény számára – a nehezen észlelhető definíciója.

Az évtizedek során a fizikusoknak sikerült megpillantani a démonváltozatokat. De Pines eredeti démonja – amely természetes módon keletkezett a fémtömbök elektronjaiból – észrevétlen maradt.

Most úgy tűnik, hogy az Illinoisi Egyetem fizikusaiból álló csapat az Urbana-Champaign-ben észrevette Pines démonát. Miután finomítottak egy technikát az elektronok precíz nyomon követésére, amint azok lekerülnek az anyagról, a csapat periodikus hullámok sorozatát állította elő és észlelte, amelyek elektronrajokon keresztül hullámzanak át. Ezek a hullámok, amelyeket a fizikusok „módoknak” neveznek, nagyrészt megegyeznek Pines számításaival. A kutatók részletezte megállapításaikat in Természet augusztusban.

„Ezeket a módokat 70 éve nem látták” – mondta Piers Coleman, a Rutgers Egyetem elméleti fizikusa. De ez az új kísérlet valahogy „felveszi ezeket a démonmódokat”.

Képzeld el a démonokat

Az 1950-es évek a fémekben található elektronok tanulmányozásának fellendülésének időszaka volt. A fizikusok már kidolgoztak egy olyan leegyszerűsített elméletet, amely figyelmen kívül hagyta az elektronok hajlamát arra, hogy eltolják egymást, és együttesen úgy kezelték őket, mintha egyfajta szabadon áramló gázt alkotnának. 1952-ben Pines és tanácsadója, David Bohm egy lépéssel tovább ment. Miután hozzáadták az elektronkölcsönhatásokat ehhez az „elektrongáz” elmélethez, azt találták, hogy az elektronok egyes helyeken összegyűlhetnek, máshol pedig szétterülhetnek. Ezek a csoportosuló elektronok váltakozó nagyobb és kisebb sűrűségű, rendezett hullámokat (és ennélfogva magasabb és alacsonyabb elektromos töltésű régiókat) hoztak létre.

Pines ezután tovább terjesztette az új elméletet. Elképzelt egy olyan anyagot, amely két gázt tartalmaz, mindegyik más típusú töltésű részecskéből készült. Konkrétan egy fémet képzelt el „nehéz” elektronokkal és „könnyű” elektronokkal. (Elméletileg minden elektron azonos, de a való világban mérhető tulajdonságai a környezetüktől függenek.) Pines azt találta, hogy az első gáz hullámai semlegesíthetik a másodikban lévő hullámokat; ahol nehéz elektronok gyűlnek össze, a könnyű elektronok elvékonyodnak. Aztán, ahogy a nehéz elektronhalmazok szétszóródtak, a könnyebb elektronok összegyűlnek, hogy kitöltsék a vékonyabb foltokat. Mivel az egyik gáz pontosan ott sűrűsödött, ahol a másik gáz elvékonyodott, a két típus teljes elektronsűrűsége együtt – és így a teljes töltés és elektromos tér – semleges és változatlan marad. „A dolgok akkor is mozoghatnak, ha úgy tűnik, hogy nem azok” – mondta Anshul Kogar, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem kondenzált anyag fizikusa.

A fény csak az egyenetlen elektromos töltéseloszlású tárgyakról verődik vissza, így Pines rezgésének semlegessége tökéletesen láthatatlanná tette. A fény fotonoknak nevezett energiacsomagokban érkezik, és Pines hullámainak energiacsomagjait „démonoknak” keresztelte. A név rábólintott a démoni gondolatkísérlet James Clerk Maxwell, egy úttörő fizikus, aki Pines panaszkodott, túl korán élt ahhoz, hogy részecskét vagy hullámot nevezzenek el róla. „Javaslom, hogy Maxwell tiszteletére, és mivel itt az elektronmozgások (vagy DEM) esetével foglalkozunk, nevezzük ezeket az új gerjesztéseket „démonoknak”” – írta Pines 1956-ban.

Az évtizedek során a fizikusok démonszerű hullámokat láttak különféle anyagokban. 1982-ben a Bell Labs kutatói ellentétes hullámokat észlelt a szomszédos gallium-arzenid lapokban. Idén pedig egy csapat, amelyet Feng Wang vezetett a Kaliforniai Egyetemről, Berkeley leírt egy kísérlet, amely szinte láthatatlan elektronhullámokat rögzített, amelyek szinkronban vernek valamivel vékonyabb pozitív töltésű hullámokkal részecskeszerű tárgyak egy grafénlapban.

De az ilyen megfigyelések nagyrészt kétdimenziós rendszerekben fordultak elő, ahol egy meghatározó démoni jellemző kevésbé volt feltűnő. A dimenzionális furcsaság miatt a 2D-ben olyan kis erőfeszítéssel indíthatsz töltési hullámot, amennyit csak akarsz. De 3D-ben egy hullám elindításához minimális mennyiségű energia szükséges ahhoz, hogy az aszociális elektronok összetorlódnak. Az elektromosan semleges démonokat megkíméli ez a 3D energiadíj. „A démont háromdimenziós szilárd testben látni egy kicsit különleges” – mondta Kogar, aki doktori kutatását az Urbana-Champaign csoporttal végezte.

Itt legyenek démonok

Az Urbana-Champaign csapata, vezetésével Peter Abbamonte, soha nem ment démonvadászni. Pines démona egyenesen a laborjukba sétált.

2010-ben Abbamonte csoportja elkezdett egy technikát kifejleszteni az elektronhordákon keresztül hullámzó finom remegések észlelésére. Elektronokkal dobtak be egy anyagot, és pontosan feljegyezték az általuk hordozott energiát és azt az utat, amelyen visszapattantak. A ricochetek részletei alapján a csoport arra következtethetett, hogy az anyag hogyan reagált az ütközésre, ami viszont feltárta az ütközés által keltett hullámok tulajdonságait. Kicsit olyan volt, mintha pingponglabdákkal megdobálnák, hogy egy fürdőkád tele van-e vízzel, mézzel vagy jéggel.

Néhány évvel ezelőtt a kutatók úgy döntöttek, hogy a stroncium-rutenát nevű szupravezető fémet helyezik a célkeresztbe. Felépítése hasonló az a titokzatos osztály réz alapú „cuprate” szupravezetőkből, de az eredetibb módon is előállítható. Míg a csapat nem tanulta meg a kuprátok titkait, az anyag úgy reagált, hogy Ali Husain, aki doktori képzése részeként finomította a technikát, nem értette.

Husain úgy találta, hogy a ricochet elektronok energiája és lendülete elveszett, ami azt jelzi, hogy energiaelvezető hullámokat indítottak el a stroncium-rutenátban. A hullámok azonban megcáfolták várakozásait: 100-szor túl gyorsan mozogtak ahhoz, hogy hanghullámok lehessenek (amelyek az atommagokon keresztül fodrozódnak), és 1,000-szer túl lassan ahhoz, hogy töltéshullámok legyenek a fém lapos felületén. Rendkívül alacsony volt az energiatartalmuk is.

„Azt hittem, ez egy műalkotás” – mondta Husain. Tehát más mintákat vett be, más feszültségeket is kipróbált, és még más emberekkel is megmérte.

Az azonosítatlan rezgések megmaradtak. A számolás után a csoport rájött, hogy a hullámzás energiái és lendületei szorosan illeszkednek Pines elméletéhez. A csoport tudta, hogy a stroncium-rutenátban az elektronok atomról atomra haladnak a három különálló csatorna valamelyikén. A csapat arra a következtetésre jutott, hogy ezen csatornák közül kettőben az elektronok szinkronizálódtak, hogy semlegesítsék egymás mozgását, és a Pines eredeti elemzésében a „nehéz” és a „könnyű” elektronok szerepét játszották. Találtak egy fémet, amely képes befogadni Pines démonát.

"Stroncium-rutenátban stabil" - mondta Abbamonte. – Mindig ott van.

A hullámzás nem egyezik tökéletesen Pines számításaival. Abbamonte és kollégái pedig nem tudják garantálni, hogy nem látnak egy másik, bonyolultabb rezgést. De összességében más kutatók szerint a csoport határozottan állítja, hogy Pines démonát elkapták.

„Minden jóhiszemű ellenőrzést elvégeztek, amit csak tudnak” – mondta Sankar Das Sarma, a Marylandi Egyetem sűrített anyag teoretikusa, aki megtette úttörő munka a démon rezgéseken.

Demons Unleashed

Most, hogy a kutatók azt gyanítják, hogy a démon valódi fémekben létezik, egyesek nem tudnak segíteni, de azon töprengenek, hogy a mozdulatlan mozgásoknak van-e valós hatása. „Nem szabad, hogy ritkák legyenek, és megtehetnek dolgokat” – mondta Abbamonte.

Például a fémrácsokon átgyűrűző hanghullámok olyan módon kötik össze az elektronokat, hogy szupravezetéshez vezetnek, és 1981-ben fizikusok egy csoportja azt javasolta, hogy démon rezgések hasonló módon szupravezetést varázsolhatna. Abbamonte csoportja eredetileg a stroncium-rutenátot szokatlan szupravezető képessége miatt választotta ki. Talán a démon is benne lehet.

„Az, hogy a démon szerepet játszik-e vagy sem, jelenleg nem ismert – mondta Kogar –, de ez egy másik részecske a játékban. (A fizikusok bizonyos tulajdonságokkal rendelkező hullámokat gyakran részecskéknek tekintik.)

A kutatás fő újdonsága azonban a régóta várt fémhatás észlelésében rejlik. A sűrített anyag teoretikusai számára a lelet kielégítő kódja egy 70 éves történetnek.

"Érdekes utóirat az elektrongáz korai történetéhez" - mondta Coleman.

Husain számára pedig, aki 2020-ban fejezte be diplomáját, és jelenleg a Quantinuum cégnél dolgozik, a kutatás azt sugallja, hogy a fémek és más anyagok hemzsegnek olyan furcsa rezgésektől, amelyek megértéséhez a fizikusok nem rendelkeznek megfelelő műszerekkel.

– Csak ülnek ott – mondta –, és arra várnak, hogy felfedezzék őket.