Caccia ai demoni: Fisici confermano una previsione di 67 anni fa su una particella composita priva di massa e neutra.

9 agosto 2023

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a cura di Michael O'Boyle, Università di Illinois Grainger College of Engineering

Nel 1956, il fisico teorico David Pines predisse che gli elettroni in un solido potevano fare qualcosa di strano. Mentre di solito hanno una massa e una carica elettrica, Pines sosteneva che potessero combinarsi per formare una particella composita che è senza massa, neutrale e non interagisce con la luce. Chiamò questa particella un "demone". Da allora è stato ipotizzato che giochi un ruolo importante nei comportamenti di una vasta varietà di metalli. Purtroppo, le stesse proprietà che lo rendono interessante hanno permesso di sfuggire alla sua individuazione fin dalla sua previsione. 

Ora, un team di ricercatori guidato da Peter Abbamonte, professore di fisica all'Università di Illinois Urbana-Champaign, ha finalmente trovato il demone di Pines 67 anni dopo la sua previsione. Come riferiscono i ricercatori sulla rivista Nature, hanno utilizzato una tecnica sperimentale non convenzionale che eccita direttamente le modalità elettroniche di un materiale, consentendo loro di vedere la firma del demone nel metallo del rutenato di stronzio. 

"I demoni sono stati teoricamente congetturati per molto tempo, ma gli sperimentatori non li hanno mai studiati", ha detto Abbamonte. "In realtà, non li stavamo nemmeno cercando. Ma si è scoperto che stavamo facendo esattamente la cosa giusta e l'abbiamo trovato". 

Una delle scoperte più importanti della fisica della materia condensata è che gli elettroni perdono la loro individualità nei solidi. Le interazioni elettriche fanno sì che gli elettroni si combinino per formare unità collettive. Con abbastanza energia, gli elettroni possono persino formare particelle composite chiamate plasmoni con una nuova carica e una massa determinate dalle interazioni elettriche di base. Tuttavia, la massa è di solito così grande che i plasmoni non possono formarsi con le energie disponibili a temperatura ambiente. 

Pines ha trovato una eccezione. Se un solido ha elettroni in più fasce di energia, come molti metalli, ha sostenuto che i loro rispettivi plasmoni possono combinarsi in un modello fuori fase per formare un nuovo plasmon che è senza massa e neutrale: un demone. Dato che i demoni sono senza massa, possono formarsi con qualsiasi energia, quindi possono esistere a tutte le temperature. Ciò ha portato a ipotizzare che abbiano effetti importanti sul comportamento dei metalli multi-fascia. 

La neutralità dei demoni significa che non lasciano una firma negli esperimenti standard sulla materia condensata. "La stragrande maggioranza degli esperimenti viene effettuata con la luce e misura le proprietà ottiche, ma essendo elettricamente neutrali significa che i demoni non interagiscono con la luce", ha detto Abbamonte. "Era necessario un tipo di esperimento completamente diverso". 

Abbamonte ricorda che lui e i suoi collaboratori stavano studiando il rutenio di stronzio per un motivo non correlato, il metallo è simile ai superconduttori ad alta temperatura senza esserlo. Nella speranza di trovare indizi sul motivo per cui il fenomeno si verifica in altri sistemi, stavano conducendo il primo studio sulle proprietà elettroniche del metallo. 

Il gruppo di ricerca di Yoshi Maeno, professore di fisica all'Università di Kyoto, ha sintetizzato campioni di alta qualità del metallo che Abbamonte e l'ex studente di dottorato Ali Husain hanno esaminato con spettroscopia di perdita di energia degli elettroni risolta dal momento. Una tecnica non convenzionale, utilizza l'energia degli elettroni sparati nel metallo per osservare direttamente le caratteristiche del metallo, compresi i plasmoni che si formano. Mentre i ricercatori stavano esaminando i dati, però, hanno trovato qualcosa di insolito: una modalità elettronica senza massa. 

Husain, oggi ricercatore presso Quantinuum, ha ricordato: "All'inizio, non avevamo idea di cosa fosse. I demoni non sono nel mainstream. La possibilità è emersa presto e l'abbiamo praticamente derisa. Ma, man mano che abbiamo escluso altre ipotesi, abbiamo cominciato a sospettare di aver davvero trovato il demone". 

Edwin Huang, studioso post-dottorato Moore presso l'Università di Illinois Urbana-Champaign e teorico della materia condensata, è stato infine incaricato di calcolare le caratteristiche della struttura elettronica del rutenio di stronzio. "La previsione di Pines sui demoni richiede condizioni molto specifiche e non era chiaro a nessuno se il rutenio di stronzio dovesse avere un demone", ha detto. "Abbiamo dovuto effettuare un calcolo microscopico per chiarire cosa stava succedendo. Quando lo abbiamo fatto, abbiamo trovato una particella composta da due bande di elettroni che oscillano fuori fase con magnitudini quasi uguali, proprio come descriveva Pines".

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