Дългоочакван пробив в разбирането на свръхпроводниците бе направен с откриването на частица, известна като демона на Пайнс, в свръхпроводящ кристал. Тази частица, която бе предсказана преди повече от 60 години, има потенциала да изясни механизма зад свръхпроводимостта и да помогне в търсенето на нови свръхпроводящи материали.
Демонът на Пайнс всъщност е вид плазмон – отделна единица "капка" сред вълни, преминаващи през популация от електрони. А плазма може да се образува в метални материали, когато електроните се отделят от атомите.
Плазмоните играят решаваща роля в поведението на свръхпроводящите материали и разбирането на техните свойства може да ни доближи до постигането на нулево електрическо съпротивление.
Във физиката плазмон е квант на плазмените осцилации. Точно както светлината (оптичното трептене) се състои от фотони, плазменото трептене се състои от плазмони. Плазмонът може да се разглежда като квазичастица, тъй като възниква от квантуване на плазмени осцилации, точно както фононите са квантуване на механични вибрации. По този начин плазмоните са колебания на плътността на свободния електронен газ.
Пайнс нарича този плазмон "демон" в чест на Джеймс Клерк Максуел, който измисля "Демона на Максуел", и защото това е различно движение на електрони или DEM (distinct electron motion).
Когато звукова вълна си проправя път през частици, тя бавно утихва, докато трептенето накрая спира. Като квантов "звук" обаче, плазмонът е "дискретен" и за всяко увеличаване на честотата е необходимо определено специфично количество енергия.
Демонът на Пайнс е плазмонна честота без електрически заряд. Възниква, когато електрони в материала, които имат различни енергийни диапазони или ленти, се движат в противофаза - няма пренос на енергия, но има промяна в заетостта на лентите. "Демонът" е неутрален колективен режим, който е заглушен или екраниран от друга група електрони.
Плазмоните са наблюдавани и широко изследвани в двумерни метали, но тъй като са електрически неутрални и не се свързват със светлината, са трудни за откриване.
Така учените стигат до стронциевия рутенат.
При ниски температури материалът действа като свръхпроводник. При по-високи температури той става малко странен и се превръща в това, което е известно като лош метал, чиито свойства не се държат непременно по начина, по който се очаква.
Според екип, ръководен от физика Али Хюсейн (Ali Husain) от Университета на Британска Колумбия в Канада, той също е отличен кандидат за идентифициране на демони – с три вложени ленти от електрони, две от които контрастират подобно на оригиналната концепция за демона от 1956 г.
Хюсеин изучава стронциев рутенат с електронна спектроскопия, когато открива нещо в данните, което прилича на квазичастица – тоест колективно възбуждане, което се държи като частица.
Има доста известни квазичастици, но новооткритата не съвпада с нито една от тях. Скоростта ѝ е твърде висока, за да бъде акустичен фонон и твърде бавна, за да бъде повърхностен плазмон.
Последващият анализ показва, че най-вероятният кандидат е демон. И екипът дори успява да възпроизведе откритието. Но проучването на неговите свойства повдига някои въпроси.
Ефектът на затихване е по-малък от очакваното например и има странни дупки в различните електронни ленти.
Сега учените изследват свойствата на демона на Пайнс, за да определят как той допринася за свръхпроводимостта. Като разберат поведението на тази мистериозна частица, изследователите се надяват да разкрият сложната работа на свръхпроводниците. Това знание може да проправи пътя за разработването на нови материали с подобрени свръхпроводящи свойства.
Откриването на демона на Пайнс е значителна стъпка напред в областта на свръхпроводимостта. Изследователите сега изследват потенциалните му приложения и как може да се използва за подобряване на настоящите технологични постижения. Този пробив ни доближава до овладяването на невероятния потенциал на свръхпроводниците в различни области, включително предаване на енергия, медицински изображения и квантови изчисления.
Все още са необходими допълнителни изследвания, за да се разбере напълно точното функциониране на свръхпроводниците и ролята на демона на Пайнс. Това откритие обаче бележи важен крайъгълен камък в нашето разбиране за тези вдъхновяващи материали. С непрекъснати научни изследвания и иновации, свръхпроводниците могат да станат още по-разпространени в бъдещите технологии, революционизирайки начина, по който живеем и взаимодействаме със света около нас.
Ali A. Husain et al, Pines' demon observed as a 3D acoustic plasmon in Sr2RuO4, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06318-8
For The First Time, Physicists Observe a 'Demon' Plasmon in an Exotic Material, ScienceAlert
Discovery of a Mysterious Particle in Superconducting Crystals, OPP.TODAY CO
