"Демонът на Пайнс": Какво знаем за невидимата квазичастица

П лазмоните са наистина специални квазичастици. Те възникват от квантови трептения в плазмата - четвъртото и най-често срещано състояние на материята. Точно както светлината е електромагнитно трептене със собствени частици - фотоните, други видове трептения могат да създадат нещо подобно. Един от най-странните плазмони сред всички без съмнение е „Демонът на Пайнс“ и фактът, че звучи като криптид, само помага за скандалната му репутация. Но след десетилетия най-накрая е възможно да бъде наблюдаван.

The oscillation was found while scientists were studying the properties of superconductors.https://t.co/HqEcb4BB5U

— IFLScience (@IFLScience) August 10, 2023

И така, с какво е заслужил името "демон" този плазмон? През 1956 г. физикът Дейвид Пайнс установил, че при правилните условия електроните в твърдо тяло могат да се държат съвсем различно, отколкото им е присъщо. Те имат малка, но добре определена маса и са електрически заредени. Но могат да взаимодействат, за да създадат квазичастица, която няма маса, електрически заряд и не взаимодейства със светлината. Тази квазичастица ще съществува, но няма да можем да я видим. На учените явно им е звучало доста демонично.

David Pines, 93, Insightful and Influential Physicist, Dies https://t.co/C2FIX0gCYe pic.twitter.com/2sbwM5DwsN

— tantraGOD2018 (@TGod2018) May 20, 2018

Откриването на „Демона на Пайнс“ всъщност станало доста случайно. Екип учени изучавал металния стронциев рутенат, защото имал прилики с високотемпературните свръхпроводници. Тъй като не се знае как точно възниква свръхпроводимостта това е и причината да има толкова голям интерес към LK-99 като възможен свръхпроводник при стайна температура. Смята се, че „демоните“ имат важна роля, но тяхната неуловимост не помогнала на екипа да намери отговорите, които търсели.

След това екипът изследвал електронните свойства на пробата чрез изстрелване на електрони върху висококачествени проби от метала. Това не е стандартна процедура, но им позволила да изучават плазмони, които се образуват в метала. Те били изненадани да видят, че един от тях изглежда нямал никаква маса.

Demon hunting: Physicists confirm 67-year-old prediction of massless, neutral composite particle
In 1956, theoretical physicist David Pines predicted that electrons in a solid can do something strange.https://t.co/BzoHIYTTpz

— Christopher Shaker (@cjshaker) August 9, 2023

„Първоначално нямахме представа какво е това. Демоните не са често срещани. Възможността да сме попаднали именно на тях беше абсурдна и се присмяхме на тази идея. Но когато започнахме да едно по едно да изключваме възможните неща, започнахме да подозираме, че може наистина да сме имали невероятния късмет да сме открили „демона", казва д-р Али Хюсейн, изследовател в Quantinum.

За да потвърдят, че наистина са видели „демон“, изследователите трябвало да анализират подробно свойствата на материала. Защото „демоните“ не се появяват навсякъде.

„Предсказанието на Пайнс за нужните условия за поява на „демоните“ са доста специфични и за никого не беше ясно дали стронциевият рутенат изобщо трябва да има „демони“, добави съавторът д-р Едуин Хуанг от университета на Илинойс.

„Трябваше да извършим микроскопско изчисление, за да изясним какво се случва. Когато направихме това, открихме частица, състояща се от две електронни ленти, осцилиращи извън фаза с почти еднаква величина, точно както е описал Пайнс.“

Interesting.
The 'demon' particle shows up 67 years after it was predicted.
In 1956, theoretical physicist David Pines predicted that electrons in a solid can do strange things. Although they normally have a mass and an electrical charge. pic.twitter.com/HSfeUponwk

— Jaime Zabala (@zabala7256) August 11, 2023

Екипът твърди, че според тях тази случайност не е случайна. Те се опитвали да тестват не много познат материал с нестандартна техника. И откриха нещо нестандартно.

„Това говори за важността на простото измерване на нещата“, обясни професор Питър Абамонте, също от Университета на Илинойс.

"Повечето големи открития не са планирани. Отивате да търсите нещо ново и опитвате да видите какво има там."

Изследването е публикувано в Nature.