美國UIUC科學家首次觀察到惡魔粒子 有助于超導體研究

由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）物理學教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）領(lǐng)導的日本和美國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年前的預測。這一發(fā)現(xiàn)始于對一種無害金屬：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、導熱性，甚至超導性——所有這些都是電子運動以及它們彼此之間以及其他電子之間相互作用的結(jié)果。

研究準粒子

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

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

例如，庫珀對就像電子對，它們作為一對的行為使超導成為可能。雖然許多諸如此類的準粒子已經(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)在理論上被預測過，但從未得到實驗證明。

尋找惡魔

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

但觀察它不僅對基礎科學極其重要，而且對可能的工業(yè)和技術(shù)應用也極其重要，因為這個惡魔可以促進固態(tài)物理學中許多有趣的現(xiàn)象，例如相變和室溫超導。

令人興奮的是，由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）物理學教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）領(lǐng)導的日本和美國研究小組在做出預測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：“長期以來，理論上人們一直在猜測惡魔，但實??驗學家從未研究過它們?！?“事實上，我們根本就沒有去尋找它。但事實證明，我們做的事情完全正確，而且我們找到了它。”

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別的無質(zhì)量中性準粒子。

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

為了確認他們確實發(fā)現(xiàn)了他們的惡魔，科學家們將預測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算與他們收集的實驗數(shù)據(jù)進行了比較。

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

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

盡管在釕酸鍶中發(fā)現(xiàn)了惡魔準粒子，但研究小組表示，他們預計它也存在于許多其他材料中，進一步的研究將有助于發(fā)現(xiàn)其他例子。