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物理界67年前預(yù)言的“惡魔”現(xiàn)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(xué)家David Pines的預(yù)言——

固體金屬中，通常情況下具有質(zhì)量和電荷的電子，可以結(jié)合形成的一種無質(zhì)量、電中性，且不與光發(fā)生相互作用的復(fù)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(yù)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(xué)家在研究釕酸鍶（Sr?RuO?）這種與高溫超導(dǎo)體相似，又不是高溫超導(dǎo)體的物質(zhì)時，偶然發(fā)現(xiàn)了惡魔粒子的跡象！

目前，這一發(fā)現(xiàn)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(tài)物理學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)之一。

電子之間的電相互作用能夠使它們結(jié)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(zhì)量，具體值由潛在電相互作用決定。通常情況下，由于質(zhì)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(chǎn)出的準粒子。

但Pines預(yù)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(jié)合，形成一個無質(zhì)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(zhì)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(yù)測，還要源于他一直對集體激發(fā)模式的研究。

在物理學(xué)中，準粒子或稱集體激發(fā)是一種發(fā)生在微觀復(fù)雜系統(tǒng)的突現(xiàn)現(xiàn)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(chǎn)生的電荷密度集體振蕩的元激發(fā)。

無規(guī)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(tài)電荷響應(yīng)函數(shù)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(yù)測了惡魔粒子。

之所以命名為惡魔粒子，是因為這種激發(fā)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(chǎn)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(yù)期存在，但物理學(xué)家長時間都未能在實驗中觀測到惡魔粒子，Pines的預(yù)測成為未解之謎。

2018年，David Pines這位杰出的理論物理學(xué)家與世長辭，享年94歲。他的一生在凝聚態(tài)物理和核物理領(lǐng)域做出了重要貢獻，超導(dǎo)現(xiàn)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(xiàn)世。

直到最近，隨著實驗技術(shù)的進步，惡魔粒子終于被觀測到了。

在“假”高溫超導(dǎo)體中，偶然發(fā)現(xiàn)

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(zhì)格外顯眼，因為這種物質(zhì)與高溫超導(dǎo)體相似，但它又不是高溫超導(dǎo)體。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

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

他們使用一種非標準的實驗技術(shù)，直接激發(fā)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(zhì)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(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一些不尋常的東西：一種沒有質(zhì)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(xué)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(xiàn)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(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)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(qū)觀測到一個線性的聲學(xué)模式的色散關(guān)系，群速度約為1.07×105 m/s，與理論預(yù)期相符。

△在Sr?RuO?中的惡魔粒子激發(fā)性質(zhì)

然后研究人員計算了Sr?RuO?的動態(tài)電荷響應(yīng)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)一個零能隙聲學(xué)模式，且強度隨動量的四次方變化。

分解響應(yīng)函數(shù)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(fā)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(diào)制，保持了整體的電子密度波。

在凝聚態(tài)物理學(xué)中，費米面是倒易空間中的表面，它在零溫度下將占據(jù)電子態(tài)與未占據(jù)電子態(tài)分開。

接著通過測量模式的動量依賴性，發(fā)現(xiàn)其強度大于總和規(guī)則預(yù)期，說明其電中性。根據(jù)電中性、聲學(xué)性質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(shù)重大發(fā)現(xiàn)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