Naučnici su konačno pronašli „demonsku“ subatomsku česticu za koju se nagađalo da postoji još pre skoro sedam decenija i spekulisalo se da će igrati važnu ulogu u ponašanju niza metala i legura, uključujući superprovodnike.
Fizičar Dejvid Pajns je 1956. godine izneo teoriju da elektroni, koji obično imaju masu i negativan električni naboj, mogu pod nekim uslovima da se udruže formirajući kompozitnu „demonsku“ česticu koja je bez mase, neutralna i ne reaguje sa svetlošću.
Ova, u teoriji, zanimljiva svojstva, međutim, učinila su da ove čestice izmiču detekciji – sve do sada.
Nakon skoro 70 godina potrage za ovim subatomskim entitetima, istraživači, uključujući i one sa Univerziteta Urbana-Šempejn u Ilinoisu, konačno su pronašli tragove „demonskih“ čestica dr Pajnsa u metalu stroncijum rutenatu.
„O ’demonima‘ se dugo maštalo, ali nikada nisu proučavani u eksperimentima. U stvari, nismo ih ni tražili. Ali ispostavilo se da radimo baš pravu stvar i našli smo je“, rekao je koautor studije Piter Abamonte.
Studije su takođe pokazale da, uz neku količinu neophodne energije, elektroni mogu formirati kompozitne čestice zvane plazmoni sa novim nabojem i masom.
Demonski plazmoni skoro neuhvatljivi – neutralni, a bez mase
Međutim, njihova masa je toliko velika da se ove čestice plazmona ne mogu sjediniti uz energiju koja je dostupna na sobnoj temperaturi.
Otkrića o superprovodnicima na sobnoj temperaturi smatraju se jednim od Svetih gralova fizike.
Jedna od teorija dr Pajnsa je bila zasnovana na tvrdnji da ako čvrsta materija ima elektrone u više od jednog energetskog pojasa, kao što je to kod mnogihmetala, njihovi odgovarajući plazmoni mogu da se kombinuju u obrascu van faze da bi formirali novi plazmon koji je bez mase i neutralan – takozvanog demona.
Pošto su ove posebne čestice bez mase, Pajns je tvrdio da se mogu formirati bilo kakvom energijom i da mogu postojati na svim temperaturama – što je dovelo do spekulacija da demoni imaju važne uticaje na ponašanje nekih metala sa više energetskih pojasa.
„Većina eksperimenata se izvodi uz prisustvo svetlosti i mere se optička svojstva, ali električna neutralnost znači da demoni ne stupaju u interakciju sa svetlom“, objasnio je dr Abamonte.
Dakle, bio je potreban potpuno novi eksperiment da bi se oni otkrili.
Tokom istraživanja, naučnici su proučavali jedinjenje stroncijum rutenata jer ima slične osobine kao superprovodnici na visokim temperaturama. To je posebna vrsta materijala gde električni otpor nestaje.
Za ispitivanje elektronskih svojstava metala, naučnici su sintetizovali visokokvalitetne uzorke metala. Zatim su primenili tehniku za proučavanje metala koji koristi energiju iz elektrona ubačenih u metal da bi direktno posmatrali karakteristike metala, uključujući plazmone koji nastaju.
Demoni iz stroncijum rutenata
Tokom posmatranja interakcija elektrona, naučnici su otkrili nešto neobično – periode kada su bez mase.
„U početku nismo imali pojma šta je to. Demoni nisu u mejnstrimu. Mogućnost za to se pojavila u ranoj fazi istraživanja i mi smo je u suštini odbacili smejući se. Ali, kako smo počeli da isključujemo druge stvari, javila se sumnja da smo zaista pronašli demona“, rekao je Ali Husain, drugi autor studije.
Istraživači su zatim pokušali da izračunaju kako su elektroni raspoređeni po energetskim pojasima unutar stroncijum rutenata.
Predviđanja dr Pajnsa ukazuju na to da postoje specifični uslovi kada će se verovatno formirati „demoni“, a ostalo je nejasno da li će stroncijum rutenat imati tu česticu.
„Morali smo da izvršimo mikroskopski proračun da bismo razjasnili šta se dešava. Kada smo to uradili, pronašli smo česticu koja se sastoji od dva elektronska pojasa koji osciliraju van faze sa skoro jednakom veličinom, baš kao što je Pajns opisao“, otkrio je Edvin Huang, jedan od autora studije.
„Naša studija potvrđuje predviđanje staro 67 godina i ukazuje da demoni mogu biti sveprisutna karakteristika metala sa više energetskih pojasa“, naveli su naučnici u studiji.
