Naukowcy odkryli demona. Tej niezwykłej cząstki szukali 67 lat
Po 67 latach od kiedy opublikowane zostały teoretyczne przewidywania Davida Pinesa, nieuchwytna cząstka, określana mianem „demona" została wreszcie zaobserwowana. „Demon”, o którym mowa, to nieposiadająca masy i neutralna cząstka obecna w ciałach stałych. Została wykryta w rutenianie strontu.
Jednocześnie, ta obserwacja, podkreśla to, jaką wartość ma wciąż nieszablonowe, innowacyjne podejście badawcze.
67 lat dociekań i wreszcie sukces!
W 1956 roku fizyk teoretyczny David Pines przewidział, że elektrony w ciałach stałych mogą mieć pewną dziwną właściwość. Zwykle elektrony zazwyczaj posiadają masę i ładunek elektryczny. Pines twierdził jednak, że mogą się łączyć, tworząc cząstkę kompozytową, która jest bez masy, neutralna i nie oddziałuje w żaden sposób ze światłem.
Tę teoretyczną cząstkę nazwał „demonem". Od tego czasu nie ustawały spekulacje w środowisku naukowym, czy taka cząstka mogłaby odgrywać ważną rolę w zachowaniu wielu różnych metali. Niestety dla badaczy, te same właściwości, które czynią ją tak interesującą, sprawiły także że była nieuchwytna. Przynajmniej do teraz.
Po 67 latach zespół badawczy kierowany przez Petera Abbamonte profesora fizyki na Uniwersytecie Urbana-Champaign w amerykańskim stanie Illinois (UIUC), w końcu odnalazł nieuchwytnego demona Pinesa.
Jak donoszą naukowcy w czasopiśmie Nature, skorzystali oni z niestandardowej techniki eksperymentalnej, która polega na bezpośrednim wzbudzaniu materiału. To pozwoliło im zobaczyć sygnaturę demona w rutenianie strontu. Jak stwierdził profesor Abbamonte:
Demony były teoretycznie przypuszczane od dawna, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali. W rzeczywistości nawet ich nie szukaliśmy. Okazało się jednak, że robiliśmy dokładnie to, co trzeba i znaleźliśmy je.
Jednym z najważniejszych odkryć fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Oddziaływania elektryczne doprowadzają do tego, że elektrony łączą się w zbiorowe jednostki.
Przy wystarczającym poziomie energii elektrony mogą nawet tworzyć cząstki kompozytowe zwane plazmonami o nowym ładunku i masie określonej przez podstawowe oddziaływania elektryczne. Jednak ich masa jest zwykle tak duża, że plazmony nie mogą powstawać w warunkach i przy energiach panujących w temperaturze pokojowej.
Jednak Pines zdołał znaleźć lukę w tej prawidłowości i wskazał wyjątek. Jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym, tak jak się to dzieje w przypadku wielu metali, ich odpowiednie plazmony mogą łączyć się, tworząc nowy plazmon, który jest bezmasowy i neutralny. Istny fizyczny demon.
Ponieważ takie demony są bezmasowe, posiadają wyjątkową zdolność istnienia z dowolną energią, a to powoduje, że mogą istnieć we wszystkich temperaturach. Neutralność tych cząstek oznacza, że nie pozostawiają one śladów w standardowych eksperymentach z materią skondensowaną. Jak wyjaśnia wspomniany profesor Abbamonte:
Zdecydowana większość eksperymentów jest wykonywana przy użyciu światła i mierzy właściwości optyczne, ale bycie elektrycznie neutralnym oznacza, że demony nie oddziałują ze światłem. Potrzebny był zupełnie inny rodzaj eksperymentu.
Demon odkryty przez przypadek? Nie do końca...
Abbamonte wspomina, że razem ze swoim zespołem prowadził badania nad rutenianem strontu z zupełnie niezwiązanego z „demoniczną” cząstką powodu. Rutenian strontu jest bowiem podobny do nadprzewodników wysokotemperaturowych, jednocześnie jednak nim nie jest. Naukowcy mieli nadzieję na znalezienie wskazówek, które mogłyby wyjaśniać, dlaczego zjawisko to występuje w tym przypadku i przeprowadzili pierwsze badanie właściwości elektronicznych metalu.
Grupa badawcza Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zsyntetyzowała wysokiej jakości próbki metalu, które Abbamonte i były doktorant Ali Husain zbadali za pomocą spektroskopii strat energii elektronów z detekcją pędu. Ta niestandardowa technika wykorzystuje energię elektronów wystrzeliwanych w metal, aby bezpośrednio obserwować cechy metalu, w tym tworzące się plazmony. Podczas przeglądania danych naukowcy odkryli jednak coś niezwykłego: tryb elektroniczny bez masy.
Jeden ze współpracowników profesora Abbamonete, doktorant Ali Husain, przyznał, że na początku nikt z nich nie miał pojęcia, z czym mają do czynienia. Cząstki - „demony” nie należą do żadnego głównego nurtu. Możliwość tego, że natrafili wspólnie na niespotykaną cząstkę, wydała im się z początku niedorzeczna. Z czasem jednak, na drodze wykluczania kolejnych możliwości, zaczęło do nich docierać, że być może naprawdę natrafili na „demona Pinesa”.
Przewidywania Pinesa dotyczące tych cząstek zakładały istnienie dość specyficznych warunków, a dla nikogo nie było jasne, czy rutenian strontu w ogóle powinien zawierać cząsteczkowego „demona".
Naukowcy musieli przeprowadzić obliczenia mikroskopowe, aby wyjaśnić, co się dzieje. Kiedy to zrobili, istotnie znaleźli cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronowych oscylujących poza fazą z prawie równą wielkością. Mniejsza o to, co dokładnie oznacza to stwierdzenie, najważniejsze jest to, że to dokładnie taki stan, jaki opisał to Pines.
Według profesora Abbamonte tak naprawdę to nie był przypadek, że jego grupa odkryła „demona”. Podkreślił, że on i jego grupa używali techniki, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku substancji, która nie została dobrze zbadana tak jak w przypadku rutenianu strontu. To, że udało im się znaleźć coś nieoczekiwanego i znaczącego, jest po prostu konsekwencją świadomego wypróbowania innego podejścia, a nie czystego szczęścia.
Jak podsumował naukowiec:
To pokazuje, jak ważne jest po prostu mierzenie rzeczy. Większość dużych odkryć nie jest planowana. Szukasz czegoś nowego i sprawdzasz, co tam jest.
