Частица-демон, обнаруженная в сверхпроводнике, может объяснить, как они работают
Недавнее наблюдение "демона" в рутенате стронция (металл с обозначением Sr2RuO4) подтверждает предсказание 67-летней давности. Помимо подтверждения давно обсуждавшейся теории, это открытие открывает путь к лучшему пониманию многополосных металлов. Побочные результаты этого исследования могут оказать влияние на смежные области, такие как сверхпроводимость.
Исследования в области физики твердого тела регулярно открывают явления, расширяющие наши представления о квантовом мире. Среди явлений, изучаемых на протяжении десятилетий, особое место занимают плазмоны - квантовые колебания плотности заряда.
Недавно ученые провели глубокое исследование одного из материалов - Sr2RuO4. Они обнаружили существование этих осцилляций, предсказанных 67 лет назад и никогда ранее не наблюдавшихся в трехмерных металлах. Помимо исторического значения, это открытие Иллинойского университета может оказать существенное влияние на наше понимание многополосных металлов и открыть новые перспективы в этой области. Исследование опубликовано в журнале .
Плазмоны, эти неуловимые "демоны"
Плазмоны были впервые представлены в 1952 году. Под ними понимаются коллективные колебания электронов в материале, обычно на поверхности проводника. В результате электрических взаимодействий электроны объединяются в коллективные единицы. С практической точки зрения, при достаточной энергии они образуют плазмоны с новым зарядом и новой массой.
Однако масса, как правило, настолько велика, что плазмоны не могут образовываться при энергии, доступной при комнатной температуре. Однако исследовательская группа нашла исключение: если в твердом теле электроны находятся более чем в одной энергетической полосе, как, например, во многих металлах, то их соответствующие плазмоны могут объединяться в фазово-сдвинутой схеме с образованием нового безмассового и нейтрального плазмона - демона.
Поскольку демоны безмассовые, они могут образовываться при любой энергии, а значит, могут существовать при любой температуре. Это позволило предположить, что они оказывают важное влияние на поведение многополосных металлов.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированным веществом. Питер Аббамонте, профессор физики из Университета Иллинойса и соавтор исследования, поясняет в пресс-релизе: "Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряет оптические свойства, однако электрическая нейтральность демонов означает, что они не взаимодействуют со светом". Он добавил: "Необходим был совершенно иной тип эксперимента".
Идеальный металл для уникальных экспериментов
Sr2RuO4 (рутенат стронция) - особый металл со сложной электронной структурой. О нем говорят, что он "многополосный", когда несколько его электронных полос пересекают энергию Ферми. Энергия Ферми - это суммарная энергия наиболее энергичных электронов в материале при нулевой температуре. Sr2RuO4 имеет три основные электронные полосы: α, β и γ. Эти полосы описывают возможные электронные состояния на различных энергетических уровнях. Такая структурная сложность делает Sr2RuO4 идеальным кандидатом для наблюдения уникальных квантовых явлений, таких как "демоны".
Особый интерес представляют β- и γ-полосы Sr2RuO4, которые обладают различными скоростями и кривизной. Под "скоростью" полосы понимается скорость движения электронов через нее, а "кривизна" описывает изменение энергии полосы в зависимости от волнового вектора. Эти различия напоминают первоначальную концепцию "демона", поскольку предполагают возможность существования в материале уникальных коллективных возбуждений.
Простые измерения побеждают "демона"
В своем стремлении обнаружить таинственного "демона" в металле Sr2RuO4 исследователи использовали тщательный и инновационный подход. Они использовали M-EELS (Microscopic Electron Energy Loss Spectroscopy) - настоящий "микроскоп энергий". M-EELS - это метод изучения электронных возбуждений в материале. Другими словами, она показывает, как электроны взаимодействуют и обмениваются энергией в микроскопическом масштабе.
Поэтому авторы тщательно исследовали электронные взаимодействия в металле в поисках специфического признака этого неуловимого возбуждения. Наблюдая за тем, как электроны теряют энергию при взаимодействии, они выявили возбуждение, скорость которого близко соответствовала теоретическим предсказаниям "демона" Пайнса 67-летней давности.
Они также проверили, не может ли это возбуждение быть чем-то другим, например поверхностным плазмоном. Но оказалось, что его скорость слишком мала для этого, что подтверждает наличие доселе неуловимого "демона" в сердце Sr2RuO4.
Это экспериментальное подтверждение открывает путь к новым исследованиям и лучшему пониманию многополосных металлов. Последствия для других областей, таких как сверхпроводимость, еще предстоит изучить.