Как физики «вызвали демона»: экспериментально доказано существование безмассового плазмона

В 1956 году американский физик-теоретик Дэвид Пайнс опубликовал расчеты, описывающие ранее неизвестное состояние внутри кристаллических решеток определенных металлов. Он математически обосновал, что при строгом соблюдении ряда условий в материале должно возникать специфическое коллективное колебание электронов. Главная особенность этого колебания заключалась в том, что оно не имеет электрического заряда, не требует значительной энергии для формирования и никак не взаимодействует со светом. Сам Пайнс назвал это явление «демоном».

На протяжении 67 лет это предсказание оставалось исключительно теоретическим конструктом. Из-за отсутствия у предсказанного явления базовых физических свойств, на которые реагируют стандартные лабораторные приборы, его невозможно было зафиксировать. Ситуация изменилась только недавно. Исследовательская группа из Иллинойсского университета, применив специализированный метод электронной спектроскопии, впервые смогла обнаружить и измерить это состояние в кристаллах рутената стронция (Sr₂RuO₄). Данное открытие не только подтверждает старую физическую теорию, но и предоставляет науке новый механизм для изучения высокотемпературной сверхпроводимости.

Физика металлов и природа стандартных плазмонов

В металлах часть электронов не привязана к конкретным атомам и может свободно перемещаться по всему объему материала. Когда это множество частиц получает внешний импульс, в их распределении возникают колебания плотности — участки сгущения и разрежения. Физики называют такие коллективные волны плазмонами.

Формирование обычного плазмона требует огромных затрат энергии. Причина кроется в базовых законах физики: электроны обладают отрицательным зарядом. Одноименные заряды всегда отталкиваются друг от друга. Это явление называется кулоновским взаимодействием. Если вы попытаетесь сжать электроны вместе, чтобы создать волну плотности, они ответят мощным сопротивлением. Поэтому в классических металлах, таких как медь или алюминий, плазмоны формируются только при воздействии высокой энергии — порядка 15-20 электронвольт. В состоянии покоя или при малых энергиях таких волн не возникает.

Суть предсказания: как возникает нейтральная волна

Дэвид Пайнс изучал более сложные системы — многозонные металлы. В таких материалах электроны не представляют собой однородную массу. Они распределены по разным энергетическим уровням (зонам) и обладают существенно разными характеристиками, в первую очередь — разной скоростью движения.

Пайнс рассчитал сценарий, при котором коллективное колебание возникает не во всей массе электронов сразу, а разделяется между разными группами. Если электроны одной энергетической зоны начинают смещаться в определенном направлении, а электроны другой зоны синхронно смещаются в строго противоположном направлении (то есть двигаются в противофазе), происходит уникальный физический эффект.

Избыток отрицательного заряда, создаваемый первой группой электронов в конкретной точке, мгновенно компенсируется оттоком электронов второй группы из этой же точки. В результате суммарная локальная плотность электрического заряда остается нулевой. Раз нет изменения плотности заряда, кулоновское отталкивание не возникает.

Так как частицам не нужно преодолевать сопротивление друг друга, энергия, необходимая для запуска такой волны, стремится к нулю. Это низкоэнергетическое, электрически нейтральное колебание Пайнс и назвал «демоном».

Проблема обнаружения и метод электронной спектроскопии

Именно отсутствие электрического заряда сделало это колебание невидимым для науки на долгие десятилетия. Физика твердого тела исторически опирается на оптические методы исследования. Ученые направляют на материал свет (электромагнитные волны) и анализируют, как он поглощается или отражается. Но свет взаимодействует только с заряженными частицами или структурами, имеющими электрический дипольный момент. Поскольку при движении электронов в противофазе суммарный заряд равен нулю, свет проходит сквозь материал, никак не фиксируя это внутреннее колебание.

Чтобы обойти это ограничение, исследователи из Иллинойсского университета отказались от оптики. Они применили метод спектроскопии потерь энергии электронов с угловым разрешением (M-EELS).

Суть метода заключается в использовании не фотонов, а реальных физических частиц. Ученые направляли на поверхность материала строго откалиброванный пучок электронов с энергией 50 электронвольт. Сталкиваясь с поверхностью кристалла и отражаясь от нее, эти электроны передавали часть своей энергии и импульса внутренним процессам в материале. Точно измеряя характеристики отраженных электронов, физики смогли вычислить, на что именно была потрачена эта потерянная энергия.

В качестве объекта исследования был выбран рутенат стронция. Этот сложный металл обладает тремя пересекающимися электронными зонами (α, β и γ). Электроны в зонах β и γ движутся с совершенно разными скоростями, что делает данный материал оптимальной средой для возникновения колебаний в противофазе.

Проведя измерения в условиях сверхвысокого вакуума на идеально очищенном кристалле, исследователи зафиксировали низкоэнергетическую акустическую волну. Она распространялась сквозь материал со скоростью 106500 метров в секунду. Это значение в сто раз превышает скорость обычных акустических колебаний кристаллической решетки (фононов), но значительно уступает скорости обычных высокоэнергетических плазмонов.

Чтобы окончательно доказать, что найденная волна является именно предсказанным нейтральным колебанием, физики проанализировали зависимость интенсивности волны от ее импульса. В квантовой механике существуют строгие математические правила, описывающие поведение заряженных структур. Найденная волна демонстрировала принципиально иные математические закономерности, точно соответствующие расчетам для полностью нейтрального возбуждения. Электроны из зон β и γ действительно колебались в противофазе.

Значение открытия для физики сверхпроводимости

Экспериментальное доказательство существования нейтральных электронных волн важно для одного из самых важных направлений современной физики — создания высокотемпературных сверхпроводников.

Сверхпроводимость — это способность материала пропускать электрический ток абсолютно без сопротивления и потерь энергии. Для того чтобы ток тек без сопротивления, электроны внутри металла должны объединиться в так называемые куперовские пары. Поскольку электроны отталкиваются друг от друга, им нужен посредник для создания такой связи.

В классических сверхпроводниках таким посредником выступают фононы — естественные микроскопические вибрации самой кристаллической решетки атомов. Электрон, пролетая сквозь решетку, слегка притягивает к себе положительно заряженные атомы, создавая зону повышенного положительного заряда, которая, в свою очередь, притягивает второй электрон. Однако этот механизм работает только при температурах, близких к абсолютному нулю. При нагревании материала тепловые колебания атомов становятся слишком хаотичными и разрушают куперовские пары. Сверхпроводимость исчезает.

Наука многие десятилетия ищет механизм, который мог бы связывать электроны в пары при комнатной температуре. Теоретики давно предполагали, что нейтральные акустические колебания (те самые «демоны») могут брать на себя роль такого посредника. Будучи нейтральными, они крайне слабо рассеиваются, не разрушаются электромагнитными помехами и могут эффективно передавать взаимодействие между электронами в сложных структурах, таких как гидриды металлов.

Работа исследователей из Иллинойса доказывает, что эти колебания существуют в реальности. Теперь ученые точно знают, с помощью каких инструментов их можно обнаруживать и измерять в трехмерных кристаллах. Это открытие дает материаловедам возможность целенаправленно искать и проектировать новые многозонные металлы, опираясь на доказанную внутреннюю квантовую динамику, которая ранее оставалась недоступной для наблюдения.

Источник: Nature