Загадочная «демонская» частица, которую предсказали почти 70 лет назад

В 1956 году теоретик Дэвид Пайнс описал гипотетическую квазичастицу, которая, по его расчетам, должна была обладать невероятно необычными свойствами: не иметь массы и электрического заряда. На протяжении почти семи десятилетий не было ни единого намека на ее существование. Однако в 2025 году группа физиков из Университета Иллинойса сообщила, что обнаружила именно такую квазичастицу — в металле, который не является сверхпроводником, но обладает близкими электронными свойствами. Подробнее — в материале «‎Рамблера».

Что такое «демон» в физике?

Термин «демон» в физике происходит от аббревиатуры D.E.M. — distinct electron motion — и относится к особому типу квазичастиц — коллективных возбуждений, которые возникают, когда десятки тысяч электронов в материале начинают вести себя согласованно, как единая волна. Это явление похоже на музыкальную волну на стадионе: каждый отдельный человек остается на месте, но вместе они производят устойчивый, движущийся узор. Именно такие коллективные движения описываются терминами вроде плазмонов и фононов — «частиц», которые возникают не сами по себе, а как результат взаимодействия фундаментальных частиц.

Пайнс предсказал, что в материалах с несколькими энергетическими зонами (так называемыми «энергетическими полосами»), коллективные волны электронов из разных полос могут двигаться в противофазе друг с другом. Теоретически такое движение создает нейтральное, немассовое возбуждение, которое и получило прозвище «демон». Из-за отсутствия массы такая квазичастица теоретически могла бы существовать при любых энергиях и, возможно, даже при комнатной температуре, в отличие от стандартных плазмонов, которые требуют высоких энергий и часто наблюдаются только в определенных условиях.

Почему «демона» было так трудно обнаружить?

Свойства, которые делает «демона» таким уникальным, также и усложняют его обнаружение. Поскольку у него нет электрического заряда, эти квазичастицы не взаимодействуют с электромагнитным излучением так же, как обычные плазмоны или фононы. Стандартные методы, с помощью которых физики исследуют материалы — например, спектроскопия, основанная на измерении отклика света — просто не регистрируют такие возбуждения. В результате «демоны» могли существовать всюду, но оставались невидимыми для привычных приборов.

Наночастицы: как они совершили революцию в медицине

Как нашли «демона»?

Открытие произошло случайно: исследователи изучали металл рутенат стронция (Sr₂RuO₄), который обладает свойствами, схожими с высокотемпературными сверхпроводниками, но сам сверхпроводником не является. Ученые хотели понять его электронные свойства и для этого применили редкий метод — спектроскопию потерь энергии электронов с разрешением по импульсу (M-EELS).

В эксперименте пучок электронов направляли на кристаллический образец, а затем с высокой точностью измеряли, сколько энергии теряли электроны при взаимодействии с материалом. Анализ таких данных позволяет реконструировать, какие коллективные возбуждения возникают внутри вещества. И именно в этих измерениях физики заметили странный сигнал: он не соответствовал ни известному поверхностному плазмону, ни акустическому фонону, но при этом обладал характеристиками, предсказанными Пайнсом для демона.

Как позже подтвердили теоретические расчеты, проведенные в том же Университете Иллинойса, этот сигнал действительно соответствует коллективной волне, образованной электронами из разных энергетических полос, движущимися в противофазе — то есть тому самому демону, о котором писал Пайнс более 60 лет назад. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature.

В чем ценность «‎демонской» квазичастицы?

Во-первых, она дает прямое подтверждение ранее чисто теоретической идеи о том, что коллективные движения электронов могут образовывать нейтральные, немассовые плазмоноподобные возбуждения. Такие возбуждения остаются невидимыми для традиционных методов исследования, но они могут оказывать существенное влияние на динамику электронов в сложных материалах.

Во-вторых, это потенциальная связь с механизмами сверхпроводимости, особенно в материалах, где стандартная теория Бардина — Купера — Шриффера (которая объясняет сверхпроводимость через взаимодействие электронов и колебаний кристаллической решетки) не дает полного ответа. Поскольку «демон» может существовать при любых энергиях и не требует массивных возбуждений, он может служить альтернативным каналом коллективных связей между электронами — что, в свою очередь, может помочь понять, как и почему некоторые материалы становятся сверхпроводниками при относительно высоких температурах.

Сверхпроводимость — одно из наиболее интригующих явлений в физике: при ней электрическое сопротивление полностью исчезает. Практическая реализация сверхпроводников при комнатной температуре обещает революцию в энергетике и электронике — от сверхэффективных линий передачи энергии до квантовых компьютеров. Но до сих пор хотя бы частично объяснить механизмы высокотемпературной сверхпроводимости удалось лишь немногим материалам. Открытие «демона», опять-таки, может дать новый ключ к этой загадке, добавив еще один механизм коллективного поведения электронов к уже известным.

Ранее мы писали, как наше чувство времени зависит от температуры в комнате.