Физики после 67 лет поисков поймали «демона»: безмассовую, нейтральную частицу
Питер Аббамонте: «Большинство крупных открытий не планируются. Вы просто отправляетесь в новое место и смотрите, что там происходит».
В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердом теле могут получить странные свойства. Хотя обычно они имеют и массу и электрический заряд, Пайнс утверждал, что электроны могут объединяться в составную частицу, которая является безмассовой, нейтральной и не взаимодействует со светом. Он назвал эту частицу «демоном». С тех пор предполагается, что «демон» играет важную роль в поведении самых разных металлов. К сожалению, те же свойства, которые делают «демона» таким интересным, делают почти невозможным его наблюдение — он практически не взаимодействует со средой.
Группа исследователей под руководством Питера Аббамонте, профессора физики из Иллинойского университета Урбана-Шампейн, наконец-то обнаружила демона, предсказанного Пайнсом, спустя 67 лет после того как частица была описана. Исследователи использовали нестандартную экспериментальную методику, которая напрямую возбуждает электронные моды материала, что позволило им увидеть сигнатуру демона в металлическом рутенате стронция (Sr2RuO4).
«Теоретические предположения о демонах существуют уже давно, но экспериментаторы никогда их не изучали», — сказал Аббамонте. — «На самом деле, мы их тоже не искали. Но оказалось, что мы делали именно то, что нужно, чтобы их найти».
Неуловимый демон
Одно из важнейших открытий физики конденсированных сред состоит в том, что в твердых телах электроны теряют свою индивидуальность. Электрические взаимодействия заставляют электроны объединяться в «коллективные частицы». При достаточной энергии электроны могут даже образовывать составные частицы, называемые плазмонами, с новым зарядом и массой, определяемыми лежащими в их основе электрическими взаимодействиями. Однако масса плазмонов обычно настолько велика, что они не могут образовываться при малых энергиях.
Пайнс обнаружил исключение. Если в твердом теле электроны находятся более чем в одной энергетической полосе, как это происходит во многих металлах, то, по его мнению, соответствующие плазмоны могут объединяться вне фазы, образуя новый безмассовый и нейтральный плазмон — демона. Поскольку демоны безмассовые, они могут образовываться при любой энергии и существовать при любых температурах. Это позволило предположить, что они оказывают важное влияние на поведение многозонных металлов.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированным веществом. «Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряет оптические свойства, но демоны не взаимодействуют со светом», — говорит Аббамонте. — «Необходим был совершенно другой тип эксперимента».
Случайное открытие
Аббамонте вспоминает, что он и его соавторы изучали рутенат стронция (Sr2RuO4) по другой причине — этот металл похож на высокотемпературные сверхпроводники, но не является таковым. Надеясь найти разгадку того, почему сверхпроводимость встречается в других системах, ученые проводили первое исследование электронных свойств металла.
Исследовательская группа Йоши Маэно, профессора физики Киотского университета, синтезировала высококачественные образцы металла, которые Аббамонте и его аспирант Али Хусайн исследовали с помощью нестандартной спектроскопии. Эта нестандартная методика использует энергию электронов, попавших в металл, для непосредственного наблюдения его свойств, в том числе формирующихся плазмонов. Просматривая полученные данные, исследователи обнаружили нечто необычное: электронный режим, не имеющий массы.
Хусайн говорит: «Сначала мы не знали, что это такое. Демоны не являются частью мейнстрима. Такая возможность появилась довольно рано, и мы, в общем-то, посмеялись над ней. Но по мере того, как мы начали исключать все возможные варианты, мы стали подозревать, что действительно нашли демона».
Эдвин Хуанг получил задание рассчитать особенности электронной структуры рутената стронция: «Предсказание Пайнса о демонах требует довольно специфических условий, а никому не было ясно, должен ли вообще у рутената стронция быть демон. Чтобы прояснить ситуацию, нам пришлось провести микроскопический расчет. Когда мы это сделали, то обнаружили частицу, состоящую из двух электронных полос, колеблющихся вне фазы с почти одинаковой величиной, как и описывал Пайнс».
Аббамонте замечает: "Это говорит о важности простого измерения. Большинство крупных открытий не планируются. Вы просто отправляетесь в новое место и смотрите, что там происходит».