Naukowcy odkrywają nieuchwytną „diabelską cząstkę” prawie 70 lat po tym, jak ją po raz pierwszy przewidziano

Naukowcy odkryli „diabelską cząsteczkę”, z której mogą powstać nadprzewodniki przewodzące elektryczność w temperaturze pokojowej – „święty Graal” fizyki.

Nadprzewodnik to określony metal lub stop, który jest w stanie przewodzić prąd bez oporu, ale temperatura musi być niższa niż 100 Fahrenheita do punktu zamarzania.

Naukowcy z University of Illinois niedawno zidentyfikowali cząstkę, która nie ma masy, co oznacza, że ​​może tworzyć się w dowolnej temperaturze, w minerałach rutenianu strontu — prawie 70 lat po tym, jak „diabły” to przewidziały.

Nadprzewodniki są wykorzystywane w procesach takich jak pociągi na podwyższeniu i maszyny do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) o wysokiej rozdzielczości, ale materiały pracujące w temperaturze pokojowej utorują drogę do potężniejszych komputerów.

Nadprzewodnictwo odkryto ponad 100 lat temu w rtęci schłodzonej do temperatury ciekłego helu wynoszącej minus 452 Fahrenheita.

Po odkryciu nadprzewodnictwa w rtęci zjawisko to zaobserwowano także w innych materiałach w bardzo niskich temperaturach.

Materiały obejmowały kilka metali i stopów niobu i tytanu, z których można było łatwo zrobić drut

Diabelska cząsteczka została po raz pierwszy przewidziana przez fizyka teoretycznego Davida Bainesa w 1956 roku, który uważał, że elektrony będą oddziaływać „dziwnie” podczas podróży przez ciało stałe.

Elektrony mogą utracić swoją indywidualność w ciałach stałych, ponieważ interakcje elektryczne powodują, że elektrony łączą się, tworząc jednostki zbiorowe.

Przy wystarczającej energii elektrony mogą tworzyć złożone cząstki zwane plazmonami o nowym ładunku i masie określonej przez podstawowe oddziaływania elektryczne.

Jednak masa jest zwykle zbyt duża, aby plazmony mogły powstać przy energiach dostępnych w temperaturze pokojowej – ale Baines wysunął hipotezę, że istnieje wyjątek.

Fizyk argumentował, że jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym, jak ma to miejsce w wielu metalach, ich plazmony mogą łączyć się poza fazą, tworząc nowy bezmasowy, neutralny plazmon — demona.

Ponieważ demony są bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią i mogą istnieć we wszystkich temperaturach.

Doprowadziło to do spekulacji, że mają one fundamentalny wpływ na zachowanie minerałów wieloskalowych.

Odkrycia dokonał zespół naukowców kierowany przez Petera Abamonte, profesora fizyki na University of Illinois Urbana-Champaign, który sporządził mapę przewidywań Bainesa, badając minerał rutenian strontu.

Eksperyment nie był związany z nadprzewodnikami, ale metal jest jak nadprzewodnik wysokotemperaturowy, chociaż nim nie jest.

Naukowcy wykonali pierwszy skan właściwości elektronicznych metalu, wysadzając go elektronami, wywołując diabła we właściwościach metalu.

Abamonte pracował nad projektem z byłym doktorantem Alim Hussainem, który powiedział: „Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest.

Diabły nie są w głównym nurcie. Możliwość pojawiła się wcześnie i po prostu się z niej śmialiśmy.

„Ale kiedy zaczęliśmy wykluczać różne rzeczy, zaczęliśmy podejrzewać, że naprawdę znaleźliśmy diabła”.

Edwin Huang, doktor habilitowany Moore’a w UIUC i teoretyk materii skondensowanej, został ostatecznie poproszony o obliczenie cech struktury elektronowej rutenianu strontu.

Przewidywanie demonów przez Pinesa wymagało dość specyficznych warunków, powiedział Huang, i dla nikogo nie było jasne, czy rutenian strontu w ogóle powinien mieć demona.

Musieliśmy wykonać mikroskopowe obliczenia, aby dowiedzieć się, co się dzieje. Kiedy to zrobiliśmy, znaleźliśmy cząstkę składającą się z dwóch pasm elektronowych, które oscylują poza fazą z mniej więcej taką samą siłą, tak jak opisał Baines.