Caza de demonios: Físicos confirman la predicción de hace 67 años sobre una partícula compuesta masiva, neutral y sin masa.

9 de agosto de 2023

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por Michael O'Boyle, Universidad de Illinois Grainger College of Engineering

En 1956, el físico teórico David Pines predijo que los electrones en un sólido pueden hacer algo extraño. Si bien normalmente tienen masa y carga eléctrica, Pines afirmó que pueden combinarse para formar una partícula compuesta que no tiene masa, es neutral y no interactúa con la luz. Llamó a esta partícula un 'demonio'. Desde entonces, se ha especulado que juega un papel importante en el comportamiento de una amplia variedad de metales. Desafortunadamente, las mismas propiedades que lo hacen interesante han permitido que eluda la detección desde su predicción.

Ahora, un equipo de investigadores liderados por Peter Abbamonte, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, finalmente ha encontrado el demonio de Pines 67 años después de que fuera predicho. Como informan los investigadores en la revista Nature, utilizaron una técnica experimental no estándar que excita directamente los modos electrónicos de un material, lo que les permitió ver la firma del demonio en el rutenato de estroncio metálico.

'Los demonios han sido teóricamente conjeturados durante mucho tiempo, pero los experimentalistas nunca los estudiaron', dijo Abbamonte. 'De hecho, ni siquiera lo estábamos buscando. Pero resultó que estábamos haciendo exactamente lo correcto y lo encontramos'.

Uno de los descubrimientos más importantes de la física de la materia condensada es que los electrones pierden su individualidad en los sólidos. Las interacciones eléctricas hacen que los electrones se combinen para formar unidades colectivas. Con suficiente energía, los electrones incluso pueden formar partículas compuestas llamadas plasmones con una nueva carga y masa determinada por las interacciones eléctricas subyacentes. Sin embargo, la masa suele ser tan grande que los plasmones no pueden formarse con las energías disponibles a temperatura ambiente.

Pines encontró una excepción. Si un sólido tiene electrones en más de una banda de energía, como muchos metales, argumentó que sus respectivos plasmones pueden combinarse en un patrón en contrafase para formar un nuevo plasmón que no tiene masa y es neutral: un demonio. Dado que los demonios no tienen masa, pueden formarse con cualquier energía, por lo que pueden existir a todas las temperaturas. Esto ha llevado a la especulación de que tienen efectos importantes en el comportamiento de los metales de múltiples bandas.

La neutralidad de los demonios significa que no dejan una firma en los experimentos estándar de la materia condensada. 'La gran mayoría de los experimentos se realizan con luz y miden propiedades ópticas, pero al ser eléctricamente neutrales, los demonios no interactúan con la luz', dijo Abbamonte. 'Se necesitaba un tipo de experimento completamente diferente'.

Abbamonte recuerda que él y sus colaboradores estaban estudiando el rutenato de estroncio por una razón no relacionada; el metal es similar a los superconductores de alta temperatura sin serlo. Esperando encontrar pistas sobre por qué ocurre el fenómeno en otros sistemas, estaban llevando a cabo la primera encuesta de las propiedades electrónicas del metal.

El grupo de investigación de Yoshi Maeno, profesor de física en la Universidad de Kyoto, sintetizó muestras de alta calidad del metal que Abbamonte y el antiguo estudiante graduado Ali Husain examinaron mediante espectroscopía de pérdida de energía de electrones resueltos en momento. Una técnica no estándar que utiliza energía de electrones disparados en el metal para observar directamente las características del metal, incluidos los plasmones que se forman. Sin embargo, mientras los investigadores revisaban los datos, encontraron algo inusual: un modo electrónico sin masa.

Husain, ahora científico investigador en Quantinuum, recordó: 'Al principio, no teníamos idea de lo que era. Los demonios no están en el ámbito convencional. La posibilidad surgió desde el principio y básicamente nos reímos de ella. Pero, a medida que empezamos a descartar cosas, comenzamos a sospechar que realmente habíamos encontrado al demonio'.

Finalmente, se le pidió a Edwin Huang, investigador posdoctoral de Moore en UIUC y teórico de la materia condensada, que calculara las características de la estructura electrónica del rutenato de estroncio. 'La predicción de Pines sobre los demonios requiere condiciones bastante específicas y no estaba claro para nadie si el rutenato de estroncio debería tener un demonio en absoluto', dijo. 'Tuvimos que realizar un cálculo microscópico para aclarar lo que estaba sucediendo. Cuando lo hicimos, encontramos una partícula compuesta por dos bandas electrónicas oscilando en contrafase con magnitudes casi iguales, tal como Pines lo describió'.

According to Abbamonte, it was no accident that his group discovered the demon 'serendipitously.' He emphasized that he and his group were using a technique that is not widely employed on a substance that has not been well studied. That they found something unexpected and significant is a consequence of simply trying something different, he believes.

'It speaks to the importance of just measuring stuff,' he said. 'Most big discoveries are not planned. You go look somewhere new and see what's there.'

Journal information: Nature

Provided by University of Illinois Grainger College of Engineering