Fizycy przywołali kwantowego demona. Przez 67 lat był hipotezą
Przez 67 lat pozostawał tylko hipotezą. Teraz po raz pierwszy udało się go zaobserwować. Nie w modelu, lecz w prawdziwym materiale.
Mowa o tzw. demonie Pinesa, egzotycznym zjawisku kwantowym, które nie przenosi ładunku, nie emituje światła i potrafi ukrywać się przed wszystkimi znanymi metodami detekcji. Może jednak odegrać ważną rolę w nadprzewodnictwie przyszłości.
Demon, który żyje w metalu
Zjawisko, które fizycy nazwali demonem to szczególny rodzaj plazmonu, czyli oscylacji gęstości elektronów wewnątrz metalu. Klasyczne plazmony przenoszą ładunek i są wyraźnie widoczne w pomiarach, bo oddziałują z polem elektrycznym. Demon działa inaczej. Jest to neutralna fala, w której elektrony poruszają się przeciwnie w różnych pasmach energetycznych metalu. Całościowo nie niesie ładunku, nie emituje światła, nie wpływa na przewodnictwo, a mimo to istnieje i działa.
Demon został przewidziany teoretycznie po raz pierwszy przez Davida Pinesa w 1956 r., ale przez dziesięciolecia nikt nie potrafił go jednoznacznie zaobserwować. Teraz się to udało. Wszystko dzięki ultraczułym pomiarom spektroskopii strat energii elektronów w materiale Sr₂RuO₄.
Materiał, który ujawnił to, co było niewidzialne
Sr₂RuO₄ to tlenek strontu i rutenu. Jest on znany m.in. z egzotycznego nadprzewodnictwa i złożonej struktury elektronowej. Co istotne, zawiera on kilka różnych pasm elektronowych – tzw. β i γ o wyraźnie różnych właściwościach. Właśnie te różnice umożliwiły demonowi narodzić się i utrzymać w materiale jako kolektywne, a zarazem neutralne wzbudzenie.
Ten wyjątkowy rodzaj drgań elektronowych udało się zarejestrować dzięki wykorzystaniu techniki M-EELS (momentowo-rozdzielczej spektroskopii strat energii elektronów). W przeciwieństwie do klasycznych plazmonów demon nie pojawiał się w punktach o zerowym pędzie, ale stawał się widoczny przy pomiarze odpowiednio dużego momentu pędu. Co więcej, nie generował on sygnału typowego dla naładowanych wzbudzeń. Zdaniem naukowców właśnie to potwierdza jego neutralność.
Czym demon różni się od klasycznych plazmonów?
Zwykły plazmon można porównać do falowania całej chmury elektronów w metalu. Wzbudzenie to jest naładowane, sprzęga się ze światłem i ma konkretną energię, którą łatwo zmierzyć. Demon to zupełnie inna liga. Jest to fala, w której jedne elektrony poruszają się w przód, a inne w tył w taki sposób, że całkowity ładunek się znosi. Nie emituje światła, nie generuje pola elektrycznego, nie wpływa bezpośrednio na przewodnictwo. Ale może oddziaływać z innymi elektronami i wpływać na ich zachowanie, w tym na tworzenie par nadprzewodzących.
Od lat fizycy podejrzewali, że istnienie demona może mieć wpływ na zjawisko nadprzewodnictwa, czyli przepływu prądu bez oporu. Dotychczas znane mechanizmy nadprzewodnictwa polegały na sprzężeniu elektronów z fononami, czyli drganiami sieci krystalicznej. Demon może być alternatywnym lub uzupełniającym kanałem: jako oscylacja neutralna, może scalać elektrony w pary, nie wzbudzając przy tym szkodliwych fluktuacji ładunku.
Zgodnie z tą hipotezą, materiały wielopasmowe, takie jak właśnie Sr₂RuO₄, mogą oferować nowe drogi do osiągania nadprzewodnictwa w wyższych temperaturach, bez potrzeby ekstremalnego chłodzenia. A to może oznaczać krok w stronę wielu zastosowań – od kabli energetycznych po komputery kwantowe.
Neutralny, ale nie bez znaczenia
To, że demon nie przenosi ładunku, nie oznacza, że jest bez znaczenia. Wręcz przeciwnie – jego neutralność sprawia, że może żyć znacznie dłużej, bo nie jest tłumiony przez typowe mechanizmy rozpraszania. Dodatkowo ma unikalny sposób propagacji: jego prędkość zmienia się wraz z temperaturą, a przy niskich energiach wykazuje tzw. dyspersję kwadratową, czyli zachowuje się jeszcze inaczej niż typowe fale elektronowe.
Przeczytaj także:
W eksperymentach udało się potwierdzić nie tylko istnienie demona, ale też jego unikalne właściwości: niską tłumienność, neutralność oraz charakterystyczne zależności od pędu i temperatury. To pierwszy taki przypadek w trójwymiarowym metalu i prawdopodobnie nie ostatni.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
