Τα ηλεκτρόνια είναι περίεργα σωματίδια. Όταν ταξιδεύουν μέσα από στερεά, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους μπορούν να σχηματίσουν συλλογικές διεγέρσεις που λειτουργούν σαν εντελώς νέα σωματίδια με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Αυτά είναι γνωστά ως οιονεί σωματίδια.

Μια συγκεκριμένη μορφή οιονεί σωματιδίου, που ονομάζεται πλασμόνιο, εμφανίζεται λόγω των ταλαντώσεων του πλάσματος, και αυτά έχουν ένα νέο φορτίο και μάζα ξεχωριστά από τα ηλεκτρόνια που τα αποτελούν. Ωστόσο, θεωρήθηκε ότι τα πλασμόνια ήταν αδύνατα σε θερμοκρασία δωματίου, επειδή τα επίπεδα ενέργειας είναι ανεπαρκή για τις μάζες που απαιτούνται για να σχηματιστούν.

Αλλά το 1956, ο θεωρητικός φυσικός Ντέιβιντ Πάινς προέβλεψε μια εξαίρεση στον κανόνα – τα ηλεκτρόνια σε πολλαπλές ενεργειακές ζώνες θα μπορούσαν να ομαδοποιηθούν σε ένα μοτίβο εκτός φάσης, σχηματίζοντας ένα πλασμόνιο που δεν έχει μάζα ή φορτίο. Χωρίς καμία μάζα μπορούν να σχηματιστούν σε οποιοδήποτε ενεργειακό επίπεδο, άρα και σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο έγινε γνωστό ως «Δαίμονας των Πεύκων» και έχει διαφύγει από την ανίχνευση από τότε – τουλάχιστον μέχρι τώρα.

Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign και στο Πανεπιστήμιο του Κιότο έχουν τώρα τις πρώτες άμεσες ανιχνεύσεις του “δαίμονα” σε ένα μέταλλο που ονομάζεται ρουθενικό στρόντιο. Το κλειδί, αποδεικνύεται, ήταν να μην το ψάξουμε ειδικά.

«Η συντριπτική πλειονότητα των πειραμάτων γίνεται με το φως και μετρούν τις οπτικές ιδιότητες, αλλά το να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο σημαίνει ότι οι “δαίμονες” δεν αλληλεπιδρούν με το φως», δήλωσε ο Peter Abbamonte, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Χρειαζόταν ένα εντελώς διαφορετικό είδος πειράματος».

Το ρουθενικό στρόντιο είναι ένα ενδιαφέρον μέταλλο που εμφανίζει ορισμένες ιδιότητες υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας , αν και το ίδιο δεν είναι. Η ομάδα ήλπιζε ότι θα μπορούσε να βρει κάποιες ενδείξεις για αυτό το πολύτιμο φαινόμενο μελετώντας τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού με μια μέθοδο που ονομάζεται φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων με ανάλυση ορμής. Αυτό περιλαμβάνει την ανατίναξη του μετάλλου με ηλεκτρόνια για να παρατηρηθούν οι ιδιότητές του, συμπεριλαμβανομένων τυχόν οιονεί σωματιδίων που μπορεί να σχηματιστούν. Κάνοντας αυτό, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα αινιγματικό πλασμόνιο χωρίς μάζα.

«Στην αρχή, δεν είχαμε ιδέα τι ήταν», είπε ο Ali Husain, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Οι “δαίμονες” δεν είναι στο mainstream. Και ενώ η πιθανότητα προέκυψε από νωρίς, γελάσαμε με τη σκέψη (μη πιστεύοντας ότι κάτι τέτοιο μπορεί να έχουν βρει). Αλλά, καθώς αρχίσαμε να αποκλείουμε τα πράγματα, αρχίσαμε να υποπτευόμαστε ότι είχαμε βρει πραγματικά τον δαίμονα».

Για να εντοπίσουν τον ένοχο, οι επιστήμονες ακολούθησαν διερεύνηση της ηλεκτρονικής δομής του ρουθενικού στροντίου. Και ο “δαίμονας” που είχε μείνει κρυμμένος για 67 χρόνια ήρθε τελικά στο επίκεντρο.

«Η πρόβλεψη του Pines για τους “δαίμονες” απαιτεί μάλλον συγκεκριμένες συνθήκες και δεν ήταν σαφές σε κανέναν εάν το ρουθενικό στρόντιο θα έπρεπε να έχει “δαίμονα”», δήλωσε ο Edwin Huang, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Έπρεπε να κάνουμε έναν μικροσκοπικό υπολογισμό για να ξεκαθαρίσουμε τι συνέβαινε. Όταν το κάναμε αυτό, βρήκαμε ένα σωματίδιο που αποτελείται από δύο ζώνες ηλεκτρονίων που ταλαντώνονται εκτός φάσης με σχεδόν ίσο μέγεθος, όπως ακριβώς περιέγραψε ο Pines.

Η ομάδα πιστεύει ότι οι “δαίμονες” μπορεί να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στις ηλεκτρονικές συμπεριφορές ενός ευρέος φάσματος μετάλλων.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature .

(photo: pixabay)