La bizzarra previsione di un fisico delle particelle di 67 anni è stata finalmente confermata

Sessantasette anni dopo la previsione teorica di David Baines, la sfuggente particella “del diavolo”, un’entità priva di massa e neutra nei solidi, è stata scoperta nei rutenati di stronzio, sottolineando il valore di approcci di ricerca innovativi.

Nel 1956, il fisico teorico David Baines predisse che gli elettroni nella materia solida potevano fare qualcosa di strano. Sebbene gli elettroni di solito abbiano una massa e una carica elettrica, Baines affermò che possono combinarsi per formare una particella composta priva di massa, neutra e che non interagisce con la luce. Chiamò questa particella teorica “Satana”. Da allora, è stato ipotizzato che svolga un ruolo importante nel comportamento di un’ampia varietà di minerali. Purtroppo, le stesse caratteristiche che lo rendono così interessante gli hanno permesso di sfuggire al rilevamento come se lo aspettava.

Dopo 67 anni, un gruppo di ricerca guidato da Peter Abamonte, professore di fisica presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign (UIUC), ha finalmente scoperto l’inafferrabile Diavolo dei Pini. I ricercatori hanno anche riferito sulla rivista naturaHanno utilizzato una tecnica sperimentale non standard che eccita direttamente i modelli elettronici della materia, consentendo loro di vedere la firma del diavolo nel minerale rutenato di stronzio.

“I diavoli sono stati ipotizzati teoricamente per molto tempo, ma non sono mai stati studiati dagli empiristi”, ha detto Abamonte. “In realtà non lo stavamo nemmeno cercando. Ma si è scoperto che stavamo facendo esattamente la cosa giusta e l’abbiamo trovata.”

Satana è sfuggente

Una delle scoperte più importanti della fisica della materia condensata è che gli elettroni perdono la loro individualità nei solidi. Le interazioni elettriche fanno sì che gli elettroni si combinino per formare unità collettive. Con sufficiente energia, gli elettroni possono formare particelle complesse chiamate plasmoni con nuova carica e massa determinate da interazioni elettriche fondamentali. Tuttavia, la massa è solitamente troppo grande perché i plasmoni possano formarsi con le energie disponibili a temperatura ambiente.

Baines ha trovato un’eccezione. Se un solido contiene elettroni in più di una banda di energia, come nel caso di molti metalli, egli sosteneva che i loro plasmoni possono combinarsi in uno schema fuori fase per formare un nuovo plasmone neutro, privo di massa: un demone. Poiché i demoni non hanno massa, possono formarsi con qualsiasi energia, quindi possono esistere a tutte le temperature. Ciò ha portato a ipotizzare che abbiano effetti importanti sul comportamento dei minerali multiscala.

La neutralità dei demoni significa che non lasciano alcuna traccia negli esperimenti standard sulla materia condensata. “La stragrande maggioranza degli esperimenti viene eseguita utilizzando la luce e misurando le proprietà ottiche, ma essendo elettricamente neutri significa che i demoni non interagiscono con la luce”, ha detto Abbamonte. “Era necessario un tipo di esperimento completamente diverso.”

Una scoperta inaspettata

Abbamonte ricorda che lui e i suoi collaboratori stavano studiando la rutenite di stronzio per un motivo non correlato: il metallo è un superconduttore ad alta temperatura senza essere un superconduttore. Nella speranza di trovare indizi sul perché questo fenomeno si verifica in altri sistemi, hanno condotto la prima indagine sulle proprietà elettroniche del metallo.

Il gruppo di ricerca guidato da Yoshi Maeno, professore di fisica all’Università di Kyoto, ha raccolto campioni di alta qualità del metallo che Abamonte e l’ex studente laureato Ali Hussein hanno esaminato utilizzando la spettroscopia di perdita di energia elettronica risolta in momento. È una tecnica non standard e utilizza l’energia degli elettroni rilasciati nel metallo per osservare direttamente le proprietà del minerale, compresi i plasmoni che si formano. Mentre i ricercatori esaminavano i dati, trovarono qualcosa di insolito: una modalità elettronica senza massa.

“All’inizio non avevamo idea di cosa fosse”, ricorda Hussain, ora ricercatore presso Quantinum. I demoni non sono nel mainstream. Questa possibilità è apparsa presto e praticamente ne abbiamo riso. Tuttavia, quando cominciammo a escludere alcune cose, cominciammo a sospettare di aver effettivamente trovato Satana.

Alla fine è stato chiesto a Edwin Huang, ricercatore post-dottorato dell’UIUC e teorico della materia condensata, di calcolare le caratteristiche della struttura elettronica della rutenite di stronzio. “La previsione di Baines sull’esistenza dei demoni implica condizioni abbastanza specifiche, e non era chiaro a nessuno se la rutenite di stronzio dovesse avere un demone”, ha detto. “Abbiamo dovuto eseguire un calcolo microscopico per mostrare cosa stava succedendo. Quando lo abbiamo fatto, abbiamo trovato una particella composta da due bande di elettroni che oscillano fuori fase all’incirca della stessa quantità, proprio come descritto da Baines.

serendipità da cercare

Secondo Abbamont, non è stato un caso che il suo gruppo abbia scoperto Satana “per caso”. Affermò che lui e il suo gruppo stavano utilizzando una tecnica non ampiamente utilizzata su materiale che non era stato ben studiato. Si ritiene che la scoperta di qualcosa di inaspettato e significativo sia il risultato di aver provato qualcosa di diverso, non solo di fortuna.

“Parla dell’importanza di misurare semplicemente le cose”, ha detto. “La maggior parte delle grandi scoperte non sono pianificate. Vai a cercare un nuovo posto e guarda cosa c’è là fuori.”

Riferimento: “Nota i Demon Pines come un plasmone acustico 3D in Sr₂RuO₄Scritto da 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 Siqiang, Philip E. Batson, Philip W Phillips e Peter Abamonte, 9 agosto 2023, disponibile qui. natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte è membro del Laboratorio di Ricerca sui Materiali dell’UIUC. Huang è membro dell’Istituto per la teoria della materia condensata presso l’UIUC.

Hanno contribuito a questo lavoro i professori Philip Phillips dell’UIUC, Matteo Mitrano dell’Università di Harvard, Bruno Ochoa dell’Università dell’Oklahoma e Philip Paston della Rutgers University.

Il sostegno è stato fornito dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Associazione giapponese per l’avanzamento della scienza, dalla National Science Foundation e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.