Группа исследователей во главе с Питером Аббамонте, профессором физики Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, экспериментальным путем зафиксировала факт существования так называемого "демона Пайнса" - аномальной частицы, которая десятилетиями была теоретической величиной.
Исследование опубликовано в журнале Nature, а коротко о нем рассказывает Phys.org. Авторы работы сообщают, что им удалось найти "демона Пайнса" через 67 лет после того, как было предсказано его существование. Для этого экспериментаторы использовали нестандартную технику.
Предсказание в 1956 году сделал физик-теоретик Дэвид Пайнс. Он писал, что электроны в твердом теле могут делать "что-то странное". Обычно они имеют массу и электрический заряд. Однако Пайнс утверждал, что электроны могут объединяться, образуя составную частицу, которая является нейтральной, не обладает массой и не взаимодействует со светом. Эту частицу Пайнс назвал "демоном". С тех пор предполагалось, что "демон" играет важную роль в поведении самых разных металлов, но доказать это на практике не удавалось.
"Теоретические предположения о "демонах" существовали долгое время, но экспериментаторы никогда не получали подтверждения их существования, - говорит профессор Аббамонте. - На самом деле, мы даже не искали его. Но оказалось, что мы делали именно то, что нужно, и мы его нашли".
Исследователи пишут: одно из важнейших открытий физики конденсированного состояния состоит в том, что электроны теряют свою индивидуальность в твердых телах. Электрические взаимодействия заставляют их объединяться в "коллективы". Электроны могут образовывать составные частицы, называемые плазмонами. Однако их масса обычно настолько велика, что плазмоны не могут образовываться при энергиях, доступных при комнатной температуре.
Пайнс считал, что есть исключение из данного правила. Если в твердом теле электроны присутствуют более чем в одной энергетической зоне, а это типично для многих металлов, то плазмоны могут объединяться в противофазе, образуя новый плазмон, который является безмассовым и нейтральным. Это и есть тот самый "демон". А поскольку "демоны" не имеют массы, они могут формироваться с любой энергией, поэтому их существование возможно при любых температурах, даже при комнатной. Это означает, что они действительно могут оказывать важное влияние на поведение металлов.
Правда, нейтральность "демонов" также означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированной материей. Поэтому они десятилетиями были неуловимы. Однако в новом исследовании физики впервые использовали нестандартную технику, напрямую возбуждая электроны рутената стронция. Этот металл похож на высокотемпературные сверхпроводники, но не является таковым. Изучали его с помощью спектроскопии, данные о поведении металла подвергли детальному анализу. Просматривая их, исследователи обнаружили нечто необычное: электроны без массы.
"Нам пришлось провести микроскопический расчет, чтобы прояснить, что происходит. Когда мы это сделали, то обнаружили частицу, состоящую из двух электронных полос, колеблющихся в противофазе с почти одинаковой амплитудой, совсем такую же, какой ее описал Пайнс", - говорит соавтор исследования Эдвин Хуанг.
