美国UIUC科学家首次观察到恶魔粒子 有助于超导体研究

由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）物理学教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）领导的日本和美国研究小组的研究人员表示，他们刚刚发现了难以捉摸的恶魔粒子（demon），证明了70年前的预测。这一发现始于对一种无害金属：钌酸锶的研究。

金属（和其他固体）的性质很大程度上取决于其中电子的行为。想想磁性、透明度、导热性，甚至超导性——所有这些都是电子运动以及它们彼此之间以及其他电子之间相互作用的结果。

研究准粒子

电子的行为已被广泛研究，从数学上更容易用集体术语来描述它们的运动。这与一大堆水分子聚集在一起形成液体相同。在研究流体动力学时，必须将液体视为一个整体，以便于计算。

电子的集体运动通常称为激发或准粒子。将这些想象为池塘表面的涟漪，或者一群人在音乐会上一起挥手。我们将这些“波”视为单独的、独立的事物。准粒子很像这样——当许多微小粒子（如电子）聚集在一起做一些有趣的事情时形成的行为模式。

例如，库珀对就像电子对，它们作为一对的行为使超导成为可能。虽然许多诸如此类的准粒子已经被研究和观察到，但也有一些难以捉摸的激发，其存在已经在理论上被预测过，但从未得到实验证明。

寻找恶魔

早在 1956 年，大卫·派恩斯 (David Pines) 就首次预言了恶魔粒子。这种特殊的准粒子被假设为无质量、电中性、极其微小且寿命短，这使得用现有仪器检测到它非常困难。

但观察它不仅对基础科学极其重要，而且对可能的工业和技术应用也极其重要，因为这个恶魔可以促进固态物理学中许多有趣的现象，例如相变和室温超导。

令人兴奋的是，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）物理学教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）领导的日本和美国研究小组在做出预测67年后终于能够观察到派恩斯的恶魔。

阿巴蒙特在一份新闻稿中说：“长期以来，理论上人们一直在猜测恶魔，但实​​验学家从未研究过它们。” “事实上，我们根本就没有去寻找它。但事实证明，我们做的事情完全正确，而且我们找到了它。”

在最近发表在《自然》杂志上的论文中，研究人员正在研究金属钌酸锶，这是一种电子结构与许多高温超导体相似的材料。他们最初希望更好地理解这种材料的行为。

他们使用了一种称为动量分辨电子能量损失光谱的技术，该技术包括将样品暴露于高度加速的电子束中，并检查它们由于与材料内部的电子相互作用而如何散射。

意想不到的结果

他们对光谱数据的初步分析表明，在钌酸锶样品中的集体电子激发中，还有一种他们无法完全识别的无质量中性准粒子。

“起初，我们不知道那是什么。该研究的作者之一、现为 Quantinuum 的研究科学家 Ali A. Husain 回忆道。“这种可能性很早就出现了，我们基本上一笑置之。但是，当我们开始排除可能性时，我们开始怀疑我们真的找到了恶魔。”

为了确认他们确实发现了他们的恶魔，科学家们将预测这种类型的粒子如何与钌酸锶中的其他电子相互作用的理论计算与他们收集的实验数据进行了比较。

“派恩斯对恶魔的预测需要相当特定的条件，而且任何人都不清楚钌酸锶是否应该有恶魔，”UIUC 摩尔博士后学者、凝聚态理论家埃德温·黄 (Edwin Huang) 说，他计算了锶的特征。钌酸盐的电子结构。“我们必须进行微观计算才能弄清楚发生了什么。当我们这样做时，我们发现了派恩斯描述的一种粒子。”

“绝大多数实验都是用光完成的，并测量光学特性，但电中性意味着恶魔不会与光相互作用，”阿巴蒙特解释道。“需要一种完全不同的实验。”

尽管在钌酸锶中发现了恶魔准粒子，但研究小组表示，他们预计它也存在于许多其他材料中，进一步的研究将有助于发现其他例子。