"Demoniczna" cząstka w fizyce. Odkryto ją po dziesięcioleciach

Dzięki nowym badaniom nad właściwościami nadprzewodników udało się namierzyć kwazicząsteczkę, której fizycy poszukiwali od dziesięcioleci. Cząsteczka z grupy plazmonów, zwana Demonem Pinesa zyskała swoją nazwę nie bez przyczyny, gdyż jest chyba najdziwniejszym tworem swojego rodzaju.

Plazmony powstają w wyniku kwantowania (czyli zmiany reguł z klasycznej mechaniki na zasady mechaniki kwantowej) oscylacji plazmy. Porównać je można do innych kwazicząsteczek, na przykład słynnych fotonów (oscylacji elektromagnetycznych) i nieco mniej słynnych fononów (oscylacji mechanicznych drgań). Plazmony mogą oddziaływać razem z fotonami, by wytworzyć inne kwazicząsteczki, zwane polarytonami. W najogólniejszym stwierdzeniu zaś kwazicząsteczki nie są wcale cząsteczkami, ale wygodniej nam o nich mówić i je rozumieć, kiedy przedstawiamy je sobie jako cząsteczki.

Był rok 1956, kiedy fizyk teoretyczny David Pines odkrył, że w odpowiednich warunkach elektrony w ciałach stałych mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż one same. Elektron posiada ujemny ładunek elektryczny i niewielką masę, jednak po wejściu w odpowiednią interakcję tworzy kwazicząstkę, która nie ma masy, ładunku elektrycznego ani w żaden sposób nie oddziałuje ze światłem.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Pines był pewien, że kwazicząstka tam jest i istnieje, jednak nie potrafił jej w żaden sposób wykryć. Ta właściwość przyczyniła się do nadania odkrytemu tworowi miana demona. Mitologiczna istota nadprzyrodzona stojąca wpół drogi pomiędzy bogami a ludźmi, często niewidzialna, aczkolwiek wywierająca wpływ na otoczenie, wydawała się idealną nazwą dla czegoś, co było, lecz nie można było tego zobaczyć.

Demona Pinesa udało się zaobserwować właściwie przez przypadek. Zespół badaczy zajmował się metalicznym rutenianem strontu, który wykazuje duże podobieństwo do nadprzewodników wysokotemperaturowych. Jako że zjawisko nadprzewodnictwa nie jest zbyt dobrze zbadane, materiał ten rozważano jako możliwy nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej. Badanie polegało na strzelaniu elektronami do wysokiej jakości próbek metalu, co pozwoliło uczonym na zbadanie plazmonów tworzących się wewnątrz materiału. Przełomem okazał się fakt, że jeden z powstałych plazmonów zdawał się nie posiadać zupełnie żadnej masy.

Możliwość, że odkryli właśnie Demona Pinesa, najpierw pojawiła się w zespole jako żart, jednak później, kiedy zaczęto wykluczać inne możliwości, główny autor badania doktor Ali Husain zaczął podejrzewać, że naprawdę upolował demona.

Naukowcy nie byli pewni, czy rutenian strontu w ogóle mógł wytworzyć demona, więc podjęli się wielu mikroskopowych obliczeń, by zrozumieć, co właśnie się wydarzyło. Odkryli cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronów oscylujących poza fazą, niemal idealnie odpowiadających swoimi właściwościami tym opisanym przez Pinesa. Uczeni twierdzą, że swój sukces zawdzięczają temu, że szukali przy pomocy niestandardowej metody w miejscu dotąd bardzo nieznacznie zbadanym.