Причудливая частица «демона», обнаружена внутри сверхпроводника

Неуловимая частица-демон была обнаружена внутри сверхпроводника спустя почти 70 лет после того, как это было впервые предсказано. Его открытие может помочь разгадать тайну работы сверхпроводников. Демон Пайнса — прозрачная незаряженная частица, обнаруженная внутри образца сверхпроводника рутената стронция. Это плазмон — рябь на электронах плазмы, которая ведет себя почти как частица — то есть это квазичастица.

Теоретики считают, что плазмоны могут способствовать сверхпроводимости материалов. Если физики смогут выяснить, как это сделать, они смогут использовать демона Пайнса, чтобы пролить свет на сверхпроводники при комнатной температуре — один из «святых Граалей» физики, который позволит передавать электричество практически без потерь. Исследователи опубликовали свои выводы 9 августа в журнале Nature.

«Демоны теоретически предполагались в течение долгого времени, но экспериментаторы никогда не изучали их», — заявил в своем заявлении Питер Аббамонте, профессор физики Иллинойского университета в Урбане-Шампейне. «На самом деле, мы даже не искали его. Но оказалось, что мы делали именно то, что нужно, и мы его нашли».

Дэвид Пайнс впервые задумал своего демона в 1956 году, предсказывая, что он появится внутри определенных металлов, когда два набора электронов в разных энергетических диапазонах образуют два плазмона. Если бы эти плазмоны не совпадали по фазе друг с другом, так что пики одного совпадали бы с впадинами другого, они могли бы частично компенсироваться.

Обычно для формирования одного плазмона во всем материале требуются очень определенные температуры, но Пайнс утверждал, что его новый комбинированный плазмон, будучи безмассовым, нейтральным и получающим свои компоненты из смеси энергий, может существовать при комнатных температурах.

Он назвал свою теоретическую частицу, которая имеет «четкое электронное движение», демоном. Но из-за отсутствия массы и заряда его трудно найти. Чтобы охотиться на демона, физики, стоящие за новым исследованием, выстрелили электронами в кристаллизованный рутенат стронция и измерили их энергию, когда электроны отскочили назад. Исходя из этого, они рассчитали импульс плазменной волны внутри материала.

Обнаруженная ими квазичастица, скрывающаяся внутри рутената стронция, совпала с предсказаниями для электронной моды без массы. Последующие эксперименты повторили первоначальное открытие исследователей — они нашли демона Пайнса. «Сначала мы понятия не имели, что это такое. Демоны не в мейнстриме.

Такая возможность появилась на раннем этапе, и мы просто отмахнулись от нее», — сказал Али Хусейн, ныне физик в компании квантовых технологий Quantinuum, в заявление. «Но когда мы начали исключать вещи, мы начали подозревать, что действительно нашли демона». По словам авторов исследования, дальнейшие исследования других металлов могут дать фундаментальное представление о том, как работают сверхпроводники.

Стандартная теория, называемая теорией БКШ, предполагает, что сверхпроводимость возникает, когда звуковые волны квантового масштаба, известные как фононы, смешивают электроны в пары, известные как пары Купера, фундаментально изменяя их поведение на поведение сверхтекучей жидкости.

Но остается вероятность того, что демон Пайнса также может быть вовлечен в сближение электронов, и это можно использовать для понимания и создания лучших сверхпроводников.