Timp de aproape 7 decenii, un plasmon cunoscut sub numele de demonul lui Pines a rămas o caracteristică pur ipotetică a sistemelor în stare solidă. Fără masă, neutră și incapabilă de a interacționa cu lumina, această cvasiparticulă neobișnuită este considerată a juca un rol cheie în anumiți supraconductori și semimetale. Acum, oamenii de știință din SUA și Japonia spun că au detectat-o folosind o spectroscopie electronică specializată pentru a studia materialul rutenatului de stronțiu.
Plasmonii au fost propuși de către fizicienii David Pines și David Bohm în 1952 ca şi cuante ale fluctuațiilor colective ale densității electronilor într-o plasmă. Ei sunt analogi cu fononii, care sunt cuante de sunet, dar spre deosebire de fononi, frecvența lor nu tinde spre zero atunci când nu au impuls. Acest lucru se datorează faptului că energia finită este necesară pentru a depăși atracția coulombiană dintre electroni și ioni dintr-o plasmă, pentru a declanșa oscilațiile, ceea ce implică o frecvență de oscilație finită (la impuls zero).
Astăzi, plasmonii sunt studiați în mod obișnuit în metale și semiconductori, care au electroni de conducere ce se comportă ca o plasmă. Plasmonii, fononii și alte fluctuații cuantificate sunt numite cvasiparticule deoarece au proprietăți în comun cu particulele fundamentale, cum ar fi fotonii.
În 1956, Pines a emis ipoteza existenței unui plasmon care, ca și sunetul, nu ar necesita nicio explozie inițială de energie. El a numit noua cvasiparticulă un demon în onoarea faimosului demon termodinamic al lui James Clerk Maxwell. Demonul lui Pines se formează atunci când electronii din diferite benzi ale unui metal se defazează unul față de celălalt, astfel încât să mențină încărcătura generală statică. De fapt, un demon este mișcarea colectivă a cvasiparticulelor neutre a căror sarcină este ecranată de electroni dintr-o altă bandă.
Cu toate acestea, această predicție de lungă durată a fost greu de confirmat experimental. Cu cei doi curenți de electroni defazați unul față de celălalt, aceștia anulează și elimină interacțiunile Coulomb cu rază lungă. Acest lucru exclude orice semnătură a demonului în proprietățile dielectrice ale metalului, ceea ce înseamnă că cvasiparticula nu interacționează cu lumina.
Acum, Peter Abbamonte de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign (UIUC) din SUA și colegii săi au demonstrat cum această dificultate poate fi depășită folosind o tehnică non-standard pentru a studia rutenatul metalic de stronțiu. După cum explică într-un comunicat de presă, ei și-au făcut descoperirea întâmplător. În loc să caute demonul lui Pines, ei explorau în schimb proprietățile electronice ale rutenatului de stronțiu pentru a folosi materialul ca un fel de surogat pentru supraconductorii de temperatură înaltă – care au proprietăți similare.
Tehnica pe care au folosit-o este cunoscută sub numele de spectroscopie de pierdere de energie a electronilor. Tehnica este potrivită pentru studiul plasmonilor, deoarece electronii sunt foarte sensibili la fluctuațiile densității de sarcină.
Folosind cristale unice de rutenat de stronțiu de dimensiuni milimetrice cultivate de Yoshiteru Maeno și colegii de la Universitatea Kyoto din Japonia, cercetătorii au înregistrat spectre destul de diferite folosind electroni de energie joasă și înaltă. În acest ultim caz, ei au descoperit că pierderea de energie atinge un vârf de aproximativ 1,2 eV, pe care o identifică ca o interacțiune cu un plasmon tipic (încărcat). Pe de altă parte, la energii mai mici, ei au observat o oscilație cu un mic decalaj energetic – mai puțin de 8 meV – la impuls zero.
Această a doua caracteristică, spun ei, este un mod acustic cu o viteză de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a sunetului, care este mult prea mare pentru a fi asociat cu fononi. În același timp, totuși, viteza modului este cu aproximativ trei ordine de mărime mai mică decât cea a unui plasmon de suprafață. Cu toate acestea, cifra se află la 10% din cea prezisă de teoreticianul UIUC Edwin Huang pentru o cvasiparticulă formată din două benzi de electroni în rutenat de stronțiu care oscilează defazat unul cu celălalt – un demon al lui Pines.
Cercetătorii susțin că demonul ar putea fi mai bine înțeles prin realizarea de experimente suplimentare cu un microscop electronic cu transmisie de scanare și, de asemenea, prin dezvoltarea unei teorii hidrodinamice a cvasiparticulei. Dar astfel de studii nu trebuie să se limiteze la rutenatul de stronțiu, demonul trebuind să fie prezent în alte metale cu benzi de electroni suficient de diferite – inclusiv unii supraconductori, cum ar fi diborura de magneziu sau cei pe bază de fier.
Sursa (traducerea şi adaptarea proprie): studiul ştiinţific „Pines’ demon observed as a 3D acoustic plasmon in Sr2RuO4 ” / nature.com