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物理界67年前預言的“惡魔”現世了！

不過別慌，此惡魔非彼惡魔，不吃小孩（手動狗頭）。

它來自于1956年理論物理學家David Pines的預言——

固體金屬中，通常情況下具有質量和電荷的電子，可以結合形成的一種無質量、電中性，且不與光發生相互作用的復合粒子。

在Pines看來，這是電子處于固體金屬中的一種非常奇怪的行為，就給它起名“惡魔（demon）”粒子。

也正因為惡魔粒子的特性非常奇怪，所以自預測以來，它就沒有在實驗中被捕捉到過。

但在最近，一組實驗物理學家在研究釕酸鍶（Sr?RuO?）這種與高溫超導體相似，又不是高溫超導體的物質時，偶然發現了惡魔粒子的跡象！

目前，這一發現已登Nature正刊：

惡魔粒子是一個例外

電子在固體中會失去個體特性是凝聚態物理學中最重要的發現之一。

電子之間的電相互作用能夠使它們結合形成集體單元。

當能量足夠時，電子甚至可以形成等離體子，具有新的電荷和質量，具體值由潛在電相互作用決定。通常情況下，由于質量過大，等離體子無法在室溫能量下形成。

等離體子（plasmon）是等離子體震蕩的量子，等離體子是從等離子體震蕩量子化而產出的準粒子。

但Pines預測了一個例外。他認為，如果一種固體在多個能帶中具有電子，那么它們各自的等離體子就能夠以一種異相的模式結合，形成一個無質量且電中性的新等離體子，也就是惡魔粒子。

由于惡魔粒子是無質量的，可以在任何能量下形成，因此它們可以存在于任何溫度下。

Pines能夠提出這樣的預測，還要源于他一直對集體激發模式的研究。

在物理學中，準粒子或稱集體激發是一種發生在微觀復雜系統的突現現象。

1951年，David Pines和David Bohm首次在非彈性電子散射實驗中，觀察并提出了等離激元的概念，用于描述在固體中由于庫倫相互作用產生的電荷密度集體振蕩的元激發。

無規相近似(random phase approximation)是Bohm和Pines在1953年討論金屬中電子的等離子體振蕩問題時所提出的一種近似方法，用于計算金屬中的動態電荷響應函數和集體模式。

正是在這種理論框架下，Pines考慮了多能帶金屬的情況，預測了惡魔粒子。

之所以命名為惡魔粒子，是因為這種激發在長波長極限下是電中性的，不會對遠距離的庫倫相互作用產生影響，難以用光譜實驗探測，就像“隱形的惡魔”。

他期望這種新模式的提出能推動多能帶金屬的研究。

盡管理論預期存在，但物理學家長時間都未能在實驗中觀測到惡魔粒子，Pines的預測成為未解之謎。

2018年，David Pines這位杰出的理論物理學家與世長辭，享年94歲。他的一生在凝聚態物理和核物理領域做出了重要貢獻，超導現象的BCS理論就是他提出的。

遺憾的是，他在生命的最后一刻也沒能等到惡魔粒子現世。

直到最近，隨著實驗技術的進步，惡魔粒子終于被觀測到了。

在“假”高溫超導體中，偶然發現

說起觀測到惡魔粒子，還要歸于一次偶然。

一直以來，有一種叫做釕酸鍶（Sr?RuO?）的物質格外顯眼，因為這種物質與高溫超導體相似，但它又不是高溫超導體。為什么會出現這種現象？

為了尋找問題的答案，來自美國伊利諾伊大學、哈佛大學等多個研究機構的研究人員就對這種物質的電子特性展開了調查。

他們使用一種非標準的實驗技術，直接激發了一種材料的電子模式，在釕酸鍶（Sr?RuO?）中看到了“惡魔粒子”存在的跡象。

具體來說，他們首先用制備的高質量Sr?RuO?單晶樣品，進行了動量分辨電子能量損失能譜法檢測。

△用M-EELS測量的裂解Sr?RuO?單晶

利用射入的電子的能量直接觀察特征，包括形成的等離激元。

△來自Sr?RuO?的高能量M-EELS光譜

然而，研究人員查看數據時，發現了一些不尋常的東西：一種沒有質量的電子模。

Quantinuum（全球最大集成量子計算公司之一）的研究科學家Husain表示：

起初，我們并不知道那是什么。惡魔這種可能性很早就被提出了，并不是現在的主流，我們基本上一笑置之。

但是，隨著各種可能性的一一排除，我們開始懷疑真的找到了惡魔。

研究人員通過微觀計算，描繪了釕酸鍶的電子結構特征，發現了一個由兩個電子能帶組成的粒子，以幾乎相等的振幅異相振蕩，與Pines描述的相符。

具體來說，他們在低能區觀測到一個線性的聲學模式的色散關系，群速度約為1.07×105 m/s，與理論預期相符。

△在Sr?RuO?中的惡魔粒子激發性質

然后研究人員計算了Sr?RuO?的動態電荷響應函數，發現一個零能隙聲學模式，且強度隨動量的四次方變化。

分解響應函數的不同能帶成分，證明了這個模式來源于β和γ能帶電子的相位相反運動。

△Sr?RuO?中惡魔粒子激發的概念圖示。a費米面顯示了三種電子，α、β和γ，b是γ和β能帶填充的調制，保持了整體的電子密度波。

在凝聚態物理學中，費米面是倒易空間中的表面，它在零溫度下將占據電子態與未占據電子態分開。

接著通過測量模式的動量依賴性，發現其強度大于總和規則預期，說明其電中性。根據電中性、聲學性質和相反相位運動的特征，確定觀測到的就是惡魔粒子。

研究人員認為他們發現了惡魔粒子只是因為簡單嘗試了不同的事物：

這說明了僅檢測事物的重要性。大多數重大發現都是沒有計劃的，你去一個新的地方看看，看看那里有什么。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8