美國(guó)UIUC科學(xué)家首次觀察到惡魔粒子 有助于超導(dǎo)體研究

由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）物理學(xué)教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）領(lǐng)導(dǎo)的日本和美國(guó)研究小組的研究人員表示，他們剛剛發(fā)現(xiàn)了難以捉摸的惡魔粒子（demon），證明了70年前的預(yù)測(cè)。這一發(fā)現(xiàn)始于對(duì)一種無害金屬：釕酸鍶的研究。

金屬（和其他固體）的性質(zhì)很大程度上取決于其中電子的行為。想想磁性、透明度、導(dǎo)熱性，甚至超導(dǎo)性——所有這些都是電子運(yùn)動(dòng)以及它們彼此之間以及其他電子之間相互作用的結(jié)果。

研究準(zhǔn)粒子

電子的行為已被廣泛研究，從數(shù)學(xué)上更容易用集體術(shù)語來描述它們的運(yùn)動(dòng)。這與一大堆水分子聚集在一起形成液體相同。在研究流體動(dòng)力學(xué)時(shí)，必須將液體視為一個(gè)整體，以便于計(jì)算。

電子的集體運(yùn)動(dòng)通常稱為激發(fā)或準(zhǔn)粒子。將這些想象為池塘表面的漣漪，或者一群人在音樂會(huì)上一起揮手。我們將這些“波”視為單獨(dú)的、獨(dú)立的事物。準(zhǔn)粒子很像這樣——當(dāng)許多微小粒子（如電子）聚集在一起做一些有趣的事情時(shí)形成的行為模式。

例如，庫珀對(duì)就像電子對(duì)，它們作為一對(duì)的行為使超導(dǎo)成為可能。雖然許多諸如此類的準(zhǔn)粒子已經(jīng)被研究和觀察到，但也有一些難以捉摸的激發(fā)，其存在已經(jīng)在理論上被預(yù)測(cè)過，但從未得到實(shí)驗(yàn)證明。

尋找惡魔

早在 1956 年，大衛(wèi)·派恩斯 (David Pines) 就首次預(yù)言了惡魔粒子。這種特殊的準(zhǔn)粒子被假設(shè)為無質(zhì)量、電中性、極其微小且壽命短，這使得用現(xiàn)有儀器檢測(cè)到它非常困難。

但觀察它不僅對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)極其重要，而且對(duì)可能的工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用也極其重要，因?yàn)檫@個(gè)惡魔可以促進(jìn)固態(tài)物理學(xué)中許多有趣的現(xiàn)象，例如相變和室溫超導(dǎo)。

令人興奮的是，由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）物理學(xué)教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）領(lǐng)導(dǎo)的日本和美國(guó)研究小組在做出預(yù)測(cè)67年后終于能夠觀察到派恩斯的惡魔。

阿巴蒙特在一份新聞稿中說：“長(zhǎng)期以來，理論上人們一直在猜測(cè)惡魔，但實(shí)??驗(yàn)學(xué)家從未研究過它們?！?“事實(shí)上，我們根本就沒有去尋找它。但事實(shí)證明，我們做的事情完全正確，而且我們找到了它?！?/p>

在最近發(fā)表在《自然》雜志上的論文中，研究人員正在研究金屬釕酸鍶，這是一種電子結(jié)構(gòu)與許多高溫超導(dǎo)體相似的材料。他們最初希望更好地理解這種材料的行為。

他們使用了一種稱為動(dòng)量分辨電子能量損失光譜的技術(shù)，該技術(shù)包括將樣品暴露于高度加速的電子束中，并檢查它們由于與材料內(nèi)部的電子相互作用而如何散射。

意想不到的結(jié)果

他們對(duì)光譜數(shù)據(jù)的初步分析表明，在釕酸鍶樣品中的集體電子激發(fā)中，還有一種他們無法完全識(shí)別的無質(zhì)量中性準(zhǔn)粒子。

“起初，我們不知道那是什么。該研究的作者之一、現(xiàn)為 Quantinuum 的研究科學(xué)家 Ali A. Husain 回憶道。“這種可能性很早就出現(xiàn)了，我們基本上一笑置之。但是，當(dāng)我們開始排除可能性時(shí)，我們開始懷疑我們真的找到了惡魔?！?/p>

為了確認(rèn)他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了他們的惡魔，科學(xué)家們將預(yù)測(cè)這種類型的粒子如何與釕酸鍶中的其他電子相互作用的理論計(jì)算與他們收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

“派恩斯對(duì)惡魔的預(yù)測(cè)需要相當(dāng)特定的條件，而且任何人都不清楚釕酸鍶是否應(yīng)該有惡魔，”UIUC 摩爾博士后學(xué)者、凝聚態(tài)理論家埃德溫·黃 (Edwin Huang) 說，他計(jì)算了鍶的特征。釕酸鹽的電子結(jié)構(gòu)?！拔覀儽仨氝M(jìn)行微觀計(jì)算才能弄清楚發(fā)生了什么。當(dāng)我們這樣做時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了派恩斯描述的一種粒子?！?/p>

“絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是用光完成的，并測(cè)量光學(xué)特性，但電中性意味著惡魔不會(huì)與光相互作用，”阿巴蒙特解釋道?！靶枰环N完全不同的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

盡管在釕酸鍶中發(fā)現(xiàn)了惡魔準(zhǔn)粒子，但研究小組表示，他們預(yù)計(jì)它也存在于許多其他材料中，進(jìn)一步的研究將有助于發(fā)現(xiàn)其他例子。