Недавнее наблюдение «демона» в рутенате стронция (металл, обозначенный Sr2RuO4) подтверждает предсказание 67-летней давности. Помимо подтверждения давно обсуждаемой теории, это открытие прокладывает путь к лучшему пониманию многозонных металлов. Побочные результаты этого исследования могут оказать влияние на смежные области, такие как сверхпроводимость.
Исследования в области физики твердого тела регулярно обнаруживают явления, которые расширяют наше понимание квантового мира. Среди явлений, изучаемых десятилетиями, особое место занимают плазмоны — квантовые флуктуации плотности заряда.
Недавно исследователи провели углубленное исследование одного из материалов — Sr2RuO4. Они обнаружили существование этих колебаний, предсказанных 67 лет назад и никогда ранее не наблюдавшихся в трехмерных металлах. Помимо исторической значимости, это открытие Иллинойского университета может оказать существенное влияние на наше понимание многозонных металлов и открыть новые перспективы в этой области. Исследование опубликовано в журнале .
Плазмоны, эти неуловимые "демоны"
Плазмоны были впервые введены в 1952 году. Это коллективные колебания электронов в материале, обычно на поверхности проводника. В результате электрических взаимодействий электроны объединяются в коллективные единицы. С практической точки зрения, при достаточной энергии они образуют плазмоны с новым зарядом и новой массой.
Однако масса обычно настолько велика, что плазмоны не могут образоваться при энергии, доступной при комнатной температуре. Однако исследовательская группа нашла исключение: если электроны в твердом теле находятся более чем в одной энергетической зоне, как, например, во многих металлах, их соответствующие плазмоны могут объединяться по схеме с фазовым сдвигом, образуя новый безмассовый и нейтральный плазмон — демон.
Поскольку демоны не имеют массы, они могут формироваться при любой энергии, то есть могут существовать при любой температуре. Это говорит о том, что они оказывают важное влияние на поведение многозонных металлов.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированным веществом. Питер Аббамонте, профессор физики Иллинойского университета и соавтор исследования, объясняет в пресс-релизе: «Подавляющее большинство экспериментов проводится со светом и измеряет оптические свойства, но электрическая нейтральность демонов означает, что они «не взаимодействовать со светом». Он добавил: «Требовался совершенно другой эксперимент".
Идеальный металл для уникальных экспериментов
Sr2RuO4 (рутенат стронция) — особый металл со сложной электронной структурой.
Обратите внимание: Перуанская школа была закрыта из-за массовой одержимости демонами.
Говорят, что он «многозонный», когда несколько электронных зон пересекают энергию Ферми. Энергия Ферми — это полная энергия наиболее энергичных электронов в материале при нулевой температуре. Sr2RuO4 имеет три основные электронные полосы: α, β и γ. Эти полосы описывают возможные электронные состояния на разных энергетических уровнях. Эта структурная сложность делает Sr2RuO4 идеальным кандидатом для наблюдения уникальных квантовых явлений, таких как «демоны".Особый интерес представляют полосы β и γ Sr2RuO4, имеющие разные скорости и кривизну. Под «скоростью» полоски понимается скорость движущихся по ней электронов, а под «кривизной» — изменение энергии полоски в зависимости от волнового вектора. Эти различия напоминают первоначальную концепцию «демона», поскольку предполагают возможность уникальных коллективных возбуждений в материале.
Простые измерения побеждают "демона"
В своем стремлении обнаружить таинственного «демона» в металле Sr2RuO4 исследователи применили тщательный и инновационный подход. Они использовали M-EELS (Microscopic Electron Energy Loss Spectroscopy) — настоящий «энергетический микроскоп». M-EELS — это метод изучения электронных возбуждений в материале. Другими словами, он показывает, как электроны взаимодействуют и обмениваются энергией в микроскопическом масштабе.
Поэтому авторы внимательно изучали электронные взаимодействия в металле в поисках конкретного признака этого неуловимого возбуждения. Наблюдая за тем, как электроны теряют энергию при взаимодействии, они обнаружили возбуждение, скорость которого точно соответствовала теоретическим предсказаниям «демона» Пайнса 67 лет назад.
Они также проверили, может ли это возбуждение быть чем-то другим, например поверхностным плазмоном. Но оказалось, что скорость для этого слишком мала, что подтверждает присутствие неуловимого до сих пор «демона» в основе Sr2RuO4.
Это экспериментальное подтверждение прокладывает путь к новым исследованиям и лучшему пониманию многозонных металлов. Последствия для других областей, таких как сверхпроводимость, еще предстоит изучить.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Недавнее наблюдение "демона" в рутенате стронция (металл с обозначением Sr2RuO4) подтверждает предсказание 67-летней давности.