Физичари демонским честицама ушли у траг унутар суперпроводника

Физичар Дејвид Пајнс је 1956. године изнео теорију да електрони, који обично имају масу и негативан електрични набој, могу под неким условима да се удруже формирајући композитну „демонску“ честицу која је без масе, неутрална и не реагује са светлошћу.

Ова, у теорији, занимљива својства, међутим, учинила су да ове честице измичу детекцији – све до сада.

Након скоро 70 година потраге за овим субатомским ентитетима, истраживачи, укључујући и оне са Универзитета Урбана-Шемпејн у Илиноису, коначно су пронашли трагове „демонских“ честица др Пајнса у металу стронцијум рутенату.

„О ’демонима‘ се дуго маштало, али никада нису проучавани у експериментима. У ствари, нисмо их ни тражили. Али испоставило се да радимо баш праву ствар и нашли смо је“, рекао је коаутор студије Питер Абамонте.

Студије су такође показале да, уз неку количину неопходне енергије, електрони могу формирати композитне честице зване плазмони са новим набојем и масом.

Демонски плазмони скоро неухватљиви – неутрални, а без масе  

Међутим, њихова маса је толико велика да се ове честице плазмона не могу сјединити уз енергију која је доступна на собној температури.

Открића о суперпроводницима на собној температури сматрају се једним од Светих гралова физике.

Једна од теорија др Пајнса је била заснована на тврдњи да ако чврста материја има електроне у више од једног енергетског појаса, као што је то код многих метала, њихови одговарајући плазмони могу да се комбинују у обрасцу ван фазе да би формирали нови плазмон који је без масе и неутралан – такозваног демона.

Пошто су ове посебне честице без масе, Пајнс је тврдио да се могу формирати било каквом енергијом и да могу постојати на свим температурама – што је довело до спекулација да демони имају важне утицаје на понашање неких метала са више енергетских појаса.

„Већина експеримената се изводи уз присуство светлости и мере се оптичка својства, али електрична неутралност значи да демони не ступају у интеракцију са светлом“, објаснио је др Абамонте.

Дакле, био је потребан потпуно нови експеримент да би се они открили.

Током истраживања, научници су проучавали једињење стронцијум рутената јер има сличне особине као суперпроводници на високим температурама. То је посебна врста материјала где електрични отпор нестаје.

За испитивање електронских својстава метала, научници су синтетизовали висококвалитетне узорке метала. Затим су применили технику за проучавање метала који користи енергију из електрона убачених у метал да би директно посматрали карактеристике метала, укључујући плазмоне који настају.

Демони из стронцијум рутената 

Током посматрања интеракција електрона, научници су открили нешто необично – периоде када су без масе.

„У почетку нисмо имали појма шта је то. Демони нису у мејнстриму. Могућност за то се појавила у раној фази истраживања и ми смо је у суштини одбацили смејући се. Али, како смо почели да искључујемо друге ствари, јавила се сумња да смо заиста пронашли демона“, рекао је Али Хусаин, други аутор студије.

Истраживачи су затим покушали да израчунају како су електрони распоређени по енергетским појасима унутар стронцијум рутената.

Предвиђања др Пајнса указују на то да постоје специфични услови када ће се вероватно формирати „демони“, а остало је нејасно да ли ће стронцијум рутенат имати ту честицу.

„Морали смо да извршимо микроскопски прорачун да бисмо разјаснили шта се дешава. Када смо то урадили, пронашли смо честицу која се састоји од два електронска појаса који осцилирају ван фазе са скоро једнаком величином, баш као што је Пајнс описао“, открио је Едвин Хуанг, један од аутора студије.

„Наша студија потврђује предвиђање старо 67 година и указује да демони могу бити свеприсутна карактеристика метала са више енергетских појаса“, навели су научници у студији.