Tajemnicza cząstka o intrygującej nazwie
Demon Pinesa to nie typowa cząstka elementarna, lecz plazmon. Takim mianem określa się zbiorowe drganie elektronów w materiale. Co najciekawsze, demon Pinesa przez niemal 70 lat pozostawał teorią, której nikt nie potrafił potwierdzić doświadczalnie. Pojawia się oczywiście pytanie: co czynie tę cząstkę tak wyjątkową? Jej paradoksalne właściwości, czyli brak masy i neutralność elektryczna. Dzięki tym cechom demon nie oddziałuje ze światłem. Z tego samego powodu przez dekady niemożliwa pozostawała jego detekcja konwencjonalnymi metodami optycznymi.
Czytaj też: Grafen łamie fundamentalne prawo fizyki. Aż trudno uwierzyć w jego zachowanie
Zespół z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign natknął się na demona zupełnie przypadkowo. Pracowali nad rutenianem strontu (Sr₂RuO₄), próbując zrozumieć, dlaczego ten metal wykazuje pewne cechy nadprzewodników wysokotemperaturowych, nie będąc jednym z nich. Kluczową rolę odegrała tu spektroskopia strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Ta zaawansowana technika pomiarowa, z rozdzielczością sięgającą 0,03 Å⁻¹, pozwoliła na obserwacje niemożliwe do wykonania wcześniejszymi metodami.
Szczegóły techniczne odkrycia i wpływ na nadprzewodnictwo
Zmierzony demon porusza się z prędkością 1,065 × 10⁵ m/s w temperaturze pokojowej, co stanowi około stukrotność prędkości fononów akustycznych w tym samym materiale. Po schłodzeniu do 30 kelwinów jego prędkość spada o 31%. Krytyczny pęd cząstki wynosi 0,08 jednostek sieci odwrotnej, a zależność intensywności od pędu potwierdza przewidywaną neutralność elektryczną. Wszystkie parametry idealnie zgadzają się z teoretycznymi obliczeniami sprzed niemal 70 lat. Dokonane odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla zrozumienia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Klasyczna teoria BCS, oparta na interakcjach elektronów z fononami, nie do końca sprawdza się w przypadku materiałów działających w wyższych temperaturach.
Czytaj też: Kosmiczny krzyk potwierdza teorie Stephena Hawkinga. Naukowcy zarejestrowali sygnał jakiego jeszcze nie było
Demony oferują potencjalnie alternatywny mechanizm osiągania zerowego oporu elektrycznego. Jako cząstki bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią i potencjalnie w dowolnej temperaturze, co czyni je interesującymi kandydatami do generowania nadprzewodnictwa w egzotycznych materiałach. I nawet jeśli w dziedzinie fizyki nie brakuje odkryć, które początkowo wydawały się przełomowe, by zostać niewypałami, to w tym przypadku potencjał wydaje się spory. Najważniejszy pozostaje fakt, iż po tak wielu latach oczekiwania wreszcie mamy fizyczny dowód istnienia demona Pinesa. Jest to niewątpliwy sukces metodologii badawczej. Dla fizyki materii skondensowanej oznacza to nowe narzędzie do zrozumienia złożonych zjawisk elektronowych. Dla technologii – potencjalną drogę do rozwoju lepszych nadprzewodników. Czas pokaże, czy ta przypadkowa obserwacja przełoży się na praktyczne zastosowania.