Частица-демон, обнаруженная в сверхпроводнике, может объяснить, как они работают

Недавнее наблюдение «демона» в рутенате стронция (металл с обозначением Sr2RuO4) подтверждает предсказание 67-летней давности. Помимо подтверждения давно обсуждавшейся теории, это открытие открывает путь к лучшему пониманию многополосных металлов. Побочные результаты этого исследования могут оказать влияние на смежные области, такие как сверхпроводимость.

Исследования в области физики твердого тела регулярно открывают явления, расширяющие наши представления о квантовом мире. Среди явлений, изучаемых на протяжении десятилетий, особое место занимают плазмоны — квантовые колебания плотности заряда.

Недавно ученые провели глубокое исследование одного из материалов — Sr2RuO4. Они обнаружили существование этих осцилляций, предсказанных 67 лет назад и никогда ранее не наблюдавшихся в трехмерных металлах. Помимо исторического значения, это открытие Иллинойского университета может оказать существенное влияние на наше понимание многополосных металлов и открыть новые перспективы в этой области. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Плазмоны, эти неуловимые «демоны»

Плазмоны были впервые представлены в 1952 году. Под ними понимаются коллективные колебания электронов в материале, обычно на поверхности проводника. В результате электрических взаимодействий электроны объединяются в коллективные единицы. С практической точки зрения, при достаточной энергии они образуют плазмоны с новым зарядом и новой массой.

Однако масса, как правило, настолько велика, что плазмоны не могут образовываться при энергии, доступной при комнатной температуре. Однако исследовательская группа нашла исключение: если в твердом теле электроны находятся более чем в одной энергетической полосе, как, например, во многих металлах, то их соответствующие плазмоны могут объединяться в фазово-сдвинутой схеме с образованием нового безмассового и нейтрального плазмона — демона.

Поскольку демоны безмассовые, они могут образовываться при любой энергии, а значит, могут существовать при любой температуре. Это позволило предположить, что они оказывают важное влияние на поведение многополосных металлов.

Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированным веществом. Питер Аббамонте, профессор физики из Университета Иллинойса и соавтор исследования, поясняет в пресс-релизе: «Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряет оптические свойства, однако электрическая нейтральность демонов означает, что они не взаимодействуют со светом«. Он добавил: «Необходим был совершенно иной тип эксперимента«.

Идеальный металл для уникальных экспериментов

Sr2RuO4 (рутенат стронция) — особый металл со сложной электронной структурой. О нем говорят, что он «многополосный», когда несколько его электронных полос пересекают энергию Ферми. Энергия Ферми — это суммарная энергия наиболее энергичных электронов в материале при нулевой температуре. Sr2RuO4 имеет три основные электронные полосы: α, β и γ. Эти полосы описывают возможные электронные состояния на различных энергетических уровнях. Такая структурная сложность делает Sr2RuO4 идеальным кандидатом для наблюдения уникальных квантовых явлений, таких как «демоны».

Особый интерес представляют β- и γ-полосы Sr2RuO4, которые обладают различными скоростями и кривизной. Под «скоростью» полосы понимается скорость движения электронов через нее, а «кривизна» описывает изменение энергии полосы в зависимости от волнового вектора. Эти различия напоминают первоначальную концепцию «демона», поскольку предполагают возможность существования в материале уникальных коллективных возбуждений.

Простые измерения побеждают «демона»

В своем стремлении обнаружить таинственного «демона» в металле Sr2RuO4 исследователи использовали тщательный и инновационный подход. Они использовали M-EELS (Microscopic Electron Energy Loss Spectroscopy) — настоящий «микроскоп энергий». M-EELS — это метод изучения электронных возбуждений в материале. Другими словами, она показывает, как электроны взаимодействуют и обмениваются энергией в микроскопическом масштабе.

Поэтому авторы тщательно исследовали электронные взаимодействия в металле в поисках специфического признака этого неуловимого возбуждения. Наблюдая за тем, как электроны теряют энергию при взаимодействии, они выявили возбуждение, скорость которого близко соответствовала теоретическим предсказаниям «демона» Пайнса 67-летней давности.

Они также проверили, не может ли это возбуждение быть чем-то другим, например поверхностным плазмоном. Но оказалось, что его скорость слишком мала для этого, что подтверждает наличие доселе неуловимого «демона» в сердце Sr2RuO4.