奇异超导体中发现隐形电子“恶魔” 广达杂志

1956年，大卫·派恩斯（David Pines）设计了一个幻影。 他预测海洋中存在着电波纹，这些电波纹可以相互抵消，即使个别波浪潮起潮落，整个海洋也会静止不动。 这个奇怪的东西后来被称为派恩斯恶魔，它是电中性的，因此对光来说是不可见的——这就是难以察觉的定义。

几十年来，物理学家成功地瞥见了恶魔的变体。 但派恩斯最初的恶魔——它会从金属块中的电子中自然产生——并没有被发现。

现在，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一组物理学家似乎发现了派恩斯的恶魔。 在改进了一种精确跟踪电子从材料中弹跳的技术后，该团队产生并检测到了一系列在电子群中荡漾的周期波。 这些波被物理学家称为“模态”，与派恩斯的计算基本相符。 研究人员 详细介绍他们的发现 in 自然 在8月。

“这些模式已经有 70 年没有见过了，”说 皮尔斯·科尔曼，罗格斯大学理论物理学家。 但这个新实验不知何故“拾起了这些恶魔模式”。

想象恶魔

1950 世纪 1952 年代是金属电子研究的繁荣时期。 物理学家已经发展出一种简单化的理论，忽略了电子相互推开的倾向，将它们集中起来，就像它们形成了一种自由流动的气体一样。 XNUMX 年，派恩斯和他的顾问大卫·博姆 (David Bohm) 更进一步。 在将电子相互作用添加到这种“电子气”理论中后，他们发现电子可以在某些地方聚集并在其他地方扩散。 这些聚集的电子形成了交替较高和较低密度的整齐波（因此具有较高和较低电荷的区域）。

派恩斯随后进一步推动了这一新理论。 他想象了一种包含两种气体的材料，每种气体都由不同类型的带电粒子制成。 具体来说，他设想了一种具有“重”电子和“轻”电子的金属。 （所有电子在理论上都是相同的，但在现实世界中，它们的可测量特性取决于它们的环境。）派恩斯发现第一种气体中的波可以中和第二种气体中的波； 在重电子聚集的地方，轻电子会变得稀疏。 然后，随着重电子簇的分散，较轻的电子会聚集起来填充较薄的斑块。 由于一种气体在另一种气体变薄的地方精确地变厚，因此两种类型的总电子密度 - 以及总电荷和电场 - 将保持中性且不变。 “事情可能会发生变化，即使它们看起来没有变化，”他说 安舒尔·科加尔，加州大学洛杉矶分校的凝聚态物理学家。

光只从电荷分布不均匀的物体上反射，因此派恩斯振动的中性使其完全看不见。 光以称为光子的能量包的形式出现，派恩斯将他的波的能量包命名为“恶魔”。 这个名字是对 恶魔思想实验 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）是一位物理学家先驱，派恩斯感叹道，他活得太早了，以至于没有一个粒子或波以他的名字命名。 “我建议，为了纪念麦克斯韦，并且因为我们在这里处理的是不同电子运动（或 DEM）的情况，我们将这些新的激发称为‘恶魔’，”派恩斯在 1956 年写道。

几十年来，物理学家在各种材料中看到了恶魔般的波。 1982年，贝尔实验室的研究人员 检测到相反的波 在相邻的砷化镓片中。 今年，加州大学伯克利分校的王峰领导的团队 描述 一项实验捕获了近乎不可见的电子波，该电子波与稍薄的带正电波同步跳动 粒子状物体 在一片石墨烯中。

但此类目击事件主要发生在二维系统中，那里的恶魔特征并不那么引人注目。 由于维度上的怪异，在 2D 中，您可以轻松地引发电荷波。 但在 3D 中，启动波需要最少的能量才能使非社交电子聚集在一起。 电中性恶魔可以免受 3D 能量费用的影响。 “在三维固体中看到恶魔有点特别，”在厄巴纳-香槟小组进行博士研究的科加尔说。

这里有恶魔

厄巴纳-香槟团队，领导者： 彼得·阿巴蒙特，从来没有去猎魔。 派恩斯的恶魔径直走进了他们的实验室。

2010年，阿巴蒙特的团队开始开发一种技术来检测电子群中的细微震动。 他们会用电子撞击材料，并精确记录它们所携带的能量以及它们反弹时所采取的路径。 根据这些跳弹的细节，研究小组可以推断出材料对碰撞的反应，从而揭示了碰撞产生的任何波的特性。 这有点像通过向浴缸中投掷乒乓球来确定浴缸中是否装满了水、蜂蜜或冰。

几年前，研究人员决定将一种名为钌酸锶的超导金属置于十字准线中。 它的结构类似于 神秘班级 铜基“铜酸盐”超导体，但它可以用更原始的方式制造。 虽然团队没有了解铜氧化物的秘密，但材料的反应方式是阿里·侯赛因（Ali Husain）无法理解的，阿里·侯赛因在博士学位期间改进了这项技术。

侯赛因发现跳动的电子的能量和动量被削弱，这表明它们在钌酸锶中引发了能量消耗的涟漪。 但这些波出乎他的意料：它们的移动速度比声波（在原子核中波动）快了 100 倍，而慢了 1,000 倍，无法成为在金属平坦表面传播的电荷波。 他们的能量也极低。

“我认为这一定是一件文物，”侯赛因说。 因此，他放入了其他样品，尝试了其他电压，甚至让不同的人进行了测量。

不明的振动依然存在。 经过数学计算后，研究小组意识到涟漪的能量和动量与派恩斯的理论非常吻合。 研究小组知道，在钌酸锶中，电子使用三个不同通道之一从一个原子传播到另一个原子。 研究小组得出的结论是，在其中两个通道中，电子同步以抵消彼此的运动，在派恩斯最初的分析中扮演“重”和“轻”电子的角色。 他们发现了一种能够容纳派恩斯恶魔的金属。

“它在钌酸锶中很稳定，”阿巴蒙特说。 “它一直都在那里。”

这些涟漪并不完全符合派恩斯的计算。 阿巴蒙特和他的同事不能保证他们不会看到不同的、更复杂的振动。 但其他研究人员表示，总体而言，该小组有力地证明了派恩斯的恶魔已被抓获。

“他们已经做了所有能做的善意检查，”说 桑卡尔·达斯·萨尔马，马里兰大学的凝聚态理论家，他做了 开拓性的工作 关于恶魔振动。

恶魔被释放

现在研究人员怀疑这种恶魔存在于真实的金属中，一些人不禁想知道这种静止的运动是否会对现实世界产生任何影响。 “他们不应该罕见，而且他们可能会做一些事情，”阿巴蒙特说。

例如，穿过金属晶格的声波以一种导致超导性的方式连接电子，1981 年，一群物理学家提出： 恶魔振动 可以以类似的方式召唤超导性。 阿巴蒙特的团队最初选择钌酸锶是因为它具有非正统的超导性。 也许恶魔也参与其中。

“目前还不清楚恶魔是否发挥了作用，”科加尔说，“但它是游戏中的另一个粒子。” （物理学家经常将具有某些属性的波视为粒子。）

但这项研究的主要新颖之处在于发现了期待已久的金属效应。 对于凝聚态理论家来说，这一发现为 70 年前的故事带来了令人满意的尾声。

“这是电子气早期历史的有趣后记，”科尔曼说。

对于 2020 年完成学位、目前在 Quantinuum 公司工作的侯赛因来说，这项研究表明，金属和其他材料充满了物理学家缺乏仪器来理解的奇怪振动。

“他们只是坐在那里，”他说，“等待被发现。”