Dämonenjagd: Physiker bestätigen 67 Jahre alte Vorhersage eines masselosen, neutralen zusammengesetzten Teilchens.

9. August 2023

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von Michael O'Boyle, University of Illinois Grainger College of Engineering

Im Jahr 1956 sagte der theoretische Physiker David Pines voraus, dass Elektronen in einem Festkörper etwas Seltsames tun können. Obwohl sie normalerweise eine Masse und eine elektrische Ladung haben, behauptete Pines, dass sie sich zu einem zusammengesetzten Teilchen verbinden können, das masselos, neutral und nicht mit Licht wechselwirkt. Er nannte dieses Teilchen einen 'Dämon'. Seitdem wird spekuliert, dass es eine wichtige Rolle bei den Verhaltensweisen einer Vielzahl von Metallen spielt. Leider haben die gleichen Eigenschaften, die es interessant machen, dazu geführt, dass es seit seiner Vorhersage nicht nachgewiesen wurde.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Peter Abbamonte, einem Professor für Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign, Pines‘ Dämon endlich gefunden, 67 Jahre nach seiner Vorhersage. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, verwendeten sie eine ungewöhnliche experimentelle Technik, die die elektronischen Moden eines Materials direkt anregt und es ihnen ermöglicht, die Signatur des Dämons im Metall Strontiumruthenat zu erkennen.

„Dämonen wurden theoretisch schon lange vermutet, aber Experimentatoren haben sie nie untersucht“, sagte Abbamonte. „Tatsächlich haben wir nicht einmal danach gesucht.“ Aber es stellte sich heraus, dass wir genau das Richtige taten, und wir haben es gefunden.“

Eine der wichtigsten Entdeckungen der Physik der kondensierten Materie ist, dass Elektronen in Festkörpern ihre Individualität verlieren. Durch elektrische Wechselwirkungen verbinden sich die Elektronen zu kollektiven Einheiten. Mit genügend Energie können die Elektronen sogar zusammengesetzte Teilchen namens Plasmonen mit einer neuen Ladung und Masse bilden, die durch die zugrunde liegenden elektrischen Wechselwirkungen bestimmt werden. Allerdings ist die Masse meist so groß, dass sich Plasmonen mit den bei Raumtemperatur verfügbaren Energien nicht bilden können.

Pines hat eine Ausnahme gefunden. Wenn ein Festkörper Elektronen in mehr als einem Energieband aufweist, wie es bei vielen Metallen der Fall ist, argumentierte er, dass sich ihre jeweiligen Plasmonen in einem phasenverschobenen Muster verbinden können, um ein neues Plasmon zu bilden, das masselos und neutral ist: einen Dämon. Da Dämonen masselos sind, können sie sich mit jeder Energie bilden und daher bei allen Temperaturen existieren. Dies hat zu Spekulationen geführt, dass sie wichtige Auswirkungen auf das Verhalten von Multibandmetallen haben.

Die Neutralität von Dämonen bedeutet, dass sie in Standardexperimenten mit kondensierter Materie keine Spuren hinterlassen. „Die überwiegende Mehrheit der Experimente wird mit Licht durchgeführt und misst optische Eigenschaften, aber elektrisch neutral zu sein bedeutet, dass Dämonen nicht mit Licht interagieren“, sagte Abbamonte. „Es brauchte ein ganz anderes Experiment.“

Abbamonte erinnert sich, dass er und seine Mitarbeiter Strontiumruthenat aus einem anderen Grund untersuchten – das Metall ähnelt Hochtemperatursupraleitern, ist aber keiner. In der Hoffnung, Hinweise darauf zu finden, warum das Phänomen in anderen Systemen auftritt, führten sie die erste Untersuchung der elektronischen Eigenschaften des Metalls durch.

Die Forschungsgruppe von Yoshi Maeno, einem Professor für Physik an der Universität Kyoto, synthetisierte hochwertige Proben des Metalls, die Abbamonte und der ehemalige Doktorand Ali Husain mit impulsaufgelöster Elektronenenergieverlustspektroskopie untersuchten. Dabei handelt es sich um eine nicht standardmäßige Technik, bei der die Energie von in das Metall geschossenen Elektronen genutzt wird, um die Merkmale des Metalls, einschließlich der sich bildenden Plasmonen, direkt zu beobachten. Als die Forscher die Daten durchsahen, fanden sie jedoch etwas Ungewöhnliches: einen elektronischen Modus ohne Masse.

Husain, heute Forschungswissenschaftler bei Quantinuum, erinnert sich: „Zuerst hatten wir keine Ahnung, was es war.“ Dämonen sind nicht im Mainstream. Die Möglichkeit kam uns schon früh in den Sinn, und wir haben im Grunde darüber gelacht. Aber als wir anfingen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir den Dämon wirklich gefunden hatten.“

Edwin Huang, ein Moore-Postdoktorand an der UIUC und Theoretiker der kondensierten Materie, wurde schließlich gebeten, die Merkmale der elektronischen Struktur von Strontiumruthenat zu berechnen. „Pines‘ Vorhersage von Dämonen erfordert ziemlich spezifische Bedingungen, und es war niemandem klar, ob Strontiumruthenat überhaupt einen Dämon haben sollte“, sagte er. „Wir mussten eine mikroskopische Berechnung durchführen, um zu klären, was vor sich ging.“ Als wir dies taten, fanden wir ein Teilchen, das aus zwei Elektronenbändern bestand, die phasenverschoben mit nahezu gleicher Stärke oszillierten, genau wie Pines es beschrieben hat.“

Laut Abbamonte war es kein Zufall, dass seine Gruppe den Dämon „zufällig“ entdeckte. Er betonte, dass er und seine Gruppe eine Technik verwendeten, die bei einer Substanz, die noch nicht gut untersucht wurde, nicht weit verbreitet ist. Dass sie etwas Unerwartetes und Bedeutendes fanden, ist eine Folge davon, dass sie einfach etwas anderes ausprobiert haben, glaubt er.

„Es zeigt, wie wichtig es ist, Dinge einfach zu messen“, sagte er. „Die meisten großen Entdeckungen sind nicht geplant. „Du gehst nach einem neuen Ort und siehst, was es dort gibt.“