Die bizarre Vorhersage eines 67-jährigen Teilchenphysikers wurde endlich bestätigt

Forscher haben Devil Pines entdeckt, eine Ansammlung von Elektronen in einem Metall, die sich wie eine masselose Welle verhält. Bildnachweis: Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign

67 Jahre nach der theoretischen Vorhersage von David Baines wurde das schwer fassbare „Teufelsteilchen“, eine masselose und neutrale Einheit in Festkörpern, in Strontiumruthenaten entdeckt, was den Wert innovativer Forschungsansätze unterstreicht.

Im Jahr 1956 sagte der theoretische Physiker David Baines voraus, dass Elektronen in fester Materie etwas Seltsames bewirken könnten. Obwohl Elektronen normalerweise eine Masse und eine elektrische Ladung haben, behauptete Baines, dass sie sich zu einem zusammengesetzten Teilchen verbinden können, das masselos und neutral ist und nicht mit Licht wechselwirkt. Er nannte dieses theoretische Teilchen den „Satan“. Seitdem wird vermutet, dass es eine wichtige Rolle im Verhalten einer Vielzahl von Mineralien spielt. Leider haben es ihm dieselben Eigenschaften, die ihn so interessant machen, ermöglicht, sich der Entdeckung zu entziehen, da er damit gerechnet hatte.

Nach 67 Jahren hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Peter Abamonte, Professor für Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC), endlich den schwer fassbaren Devil of Pines entdeckt. Die Forscher berichteten auch in der Zeitschrift NaturSie verwendeten eine ungewöhnliche experimentelle Technik, die die elektronischen Muster der Materie direkt anregt und es ihnen ermöglichte, die Signatur des Teufels im Mineral Strontiumruthenat zu erkennen.

„Über Teufel wurde schon lange theoretisch spekuliert, aber sie wurden nie von Empirikern untersucht“, sagte Abamonte. „Eigentlich haben wir gar nicht danach gesucht. Aber es stellte sich heraus, dass wir genau das Richtige getan und es gefunden haben.“

Satan ist schwer zu fassen

Eine der wichtigsten Entdeckungen der Festkörperphysik ist, dass Elektronen in Festkörpern ihre Individualität verlieren. Durch elektrische Wechselwirkungen verbinden sich Elektronen zu kollektiven Einheiten. Mit genügend Energie können Elektronen komplexe Teilchen, sogenannte Plasmonen, mit neuer Ladung und Masse bilden, die durch grundlegende elektrische Wechselwirkungen bestimmt werden. Allerdings ist die Masse meist zu groß, als dass sich Plasmonen mit den bei Raumtemperatur verfügbaren Energien bilden könnten.

Baines fand eine Ausnahme. Wenn ein Festkörper Elektronen in mehr als einem Energieband enthält, wie es bei vielen Metallen der Fall ist, können sich deren Plasmonen seiner Meinung nach in einem phasenverschobenen Muster verbinden, um ein neues, masseloses, neutrales Plasmon zu bilden: einen Dämon. Da Dämonen masselos sind, können sie sich mit jeder Energie bilden und somit bei allen Temperaturen existieren. Dies hat zu Spekulationen geführt, dass sie wichtige Auswirkungen auf das Verhalten multiskaliger Mineralien haben.

Die Neutralität der Dämonen bedeutet, dass sie in Standardexperimenten mit kondensierter Materie keine Spuren hinterlassen. „Die überwiegende Mehrheit der Experimente wird mit Licht und der Messung optischer Eigenschaften durchgeführt, aber elektrisch neutral zu sein bedeutet, dass Dämonen nicht mit Licht interagieren“, sagte Abbamonte. „Es brauchte ein ganz anderes Experiment.“

Eine unerwartete Entdeckung

Abbamonte erinnert sich, dass er und seine Mitarbeiter Strontiumruthenit aus einem anderen Grund untersuchten: Das Metall ist ein Hochtemperatursupraleiter, ohne ein Supraleiter zu sein. In der Hoffnung, Hinweise darauf zu finden, warum dieses Phänomen in anderen Systemen auftritt, führten sie die erste Untersuchung der elektronischen Eigenschaften des Metalls durch.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Yoshi Maeno, Professor für Physik an der Universität Kyoto, sammelte hochwertige Proben des Metalls, die Abamonte und der ehemalige Doktorand Ali Hussein mithilfe impulsaufgelöster Elektronenenergieverlustspektroskopie untersuchten. Dabei handelt es sich um eine nicht standardmäßige Technik, bei der die Energie der in das Metall freigesetzten Elektronen genutzt wird, um die Eigenschaften des Minerals, einschließlich der sich bildenden Plasmonen, direkt zu beobachten. Als die Forscher die Daten durchforsteten, fanden sie etwas Ungewöhnliches: einen Elektronenmodus ohne Masse.

„Zuerst hatten wir keine Ahnung, was es war“, erinnert sich Hussain, heute Forschungswissenschaftler bei Quantinum. Dämonen sind nicht im Mainstream. Diese Möglichkeit tauchte schon früh auf und wir haben im Grunde darüber gelacht. Als wir jedoch anfingen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir tatsächlich Satan gefunden hatten.

Edwin Huang, ein UIUC-Postdoktorand und Theoretiker der kondensierten Materie, wurde schließlich gebeten, Merkmale der elektronischen Struktur von Strontiumruthenit zu berechnen. „Baines‘ Vorhersage der Existenz von Dämonen erfordert ziemlich spezifische Bedingungen, und es war niemandem klar, ob Strontiumruthenit überhaupt einen Dämon haben sollte“, sagte er. „Wir mussten eine mikroskopische Berechnung durchführen, um zu zeigen, was vor sich ging. Dabei fanden wir ein Teilchen, das aus zwei Elektronenbändern bestand, die um etwa den gleichen Betrag phasenverschoben oszillierten, genau wie Baines es beschrieben hatte.“

Zufall zu suchen

Laut Abbamont war es kein Zufall, dass seine Gruppe Satan „durch Zufall“ entdeckte. Er behauptete, dass er und seine Gruppe eine Technik verwendeten, die bei nicht gut untersuchtem Material nicht weit verbreitet war. Es wird angenommen, dass ihre Entdeckung von etwas Unerwartetem und Bedeutsamem das Ergebnis eines Versuchs mit etwas anderem ist und nicht nur Glück.

„Er spricht darüber, wie wichtig es ist, Dinge einfach zu messen“, sagte er. „Die meisten großen Entdeckungen sind ungeplant. Suchen Sie sich einen neuen Ort und sehen Sie, was es da draußen gibt.“

Referenz: „Beachten Sie die Dämonenkiefern als akustisches 3D-Plasmon in Sr.“₂RuO₄Geschrieben von Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Si Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips und Peter Abamonte, 9. August 2023, hier verfügbar. Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte ist Mitglied des Materialforschungslabors der UIUC. Huang ist Mitglied des Instituts für Theorie der kondensierten Materie an der UIUC.

Zu dieser Arbeit haben die Professoren Philip Phillips von der UIUC, Matteo Mitrano von der Harvard University, Bruno Ochoa von der University of Oklahoma und Philip Paston von der Rutgers University beigetragen.

Unterstützung wurde vom US-Energieministerium, der Japan Association for the Advancement of Science, der National Science Foundation und der Gordon and Betty Moore Foundation bereitgestellt.