超導材料物理學新發現!物理學家首次在釕酸鍶觀察到「惡魔」電漿子

作者 | 發布日期 2023 年 08 月 16 日 8:10 | 分類 尖端科技 , 材料 line share Linkedin share follow us in feedly line share
超導材料物理學新發現!物理學家首次在釕酸鍶觀察到「惡魔」電漿子


已故物理學家大衛‧派恩(David Pines)1965 年預測稱為「派恩之惡魔」(Pines′ Demon)的重要量子現象,伊利諾大學(University of Illinois)物理學家 Peter Abbamonte 偶然在名為釕酸鍶(Strontium Ruthenate,Sr2RuO4)的新型超導材料發現此現象,代表首次在化學平衡三維金屬辨識到。

這是個意外發現,研究團隊是 2018 年觀察到這激發態,但花了好一段時間才弄清楚是什麼,結果證明就是派恩預測的惡魔模式。這其實是種電漿子(在一群電子波動的離散波單位),電漿子描述為量子的類比,類似古典氣體的聲音。「派恩之惡魔」預計會在許多現象扮演重要角色,如特定類型半金屬轉變和超導體性質,所以這研究對材料物理學有極重要的意義。研究發表於《自然》期刊。

派恩將這種電漿子命名為「惡魔」是為了紀念提出「麥克斯韋之惡魔」(Maxwell′s Demon)的英國物理學家詹姆斯‧克拉克‧麥克斯韋(James Clerk Maxwell),「麥克斯韋之惡魔」是一種獨特的電子運動。

電漿子已在二維金屬發現並廣泛研究,由於呈電中性,並不與光耦合,很難檢測到,新型釕酸鍶超導材料遂登場。低溫時這種材料表現為超導體,較高溫變得有點奇怪,是所謂的壞金屬(bad metal),這個時候表現性質就不一定會像期望。

比聲子快但比表面電漿子慢,與既有已知準粒子不同的準粒子

物理學家 Ali Husain(論文作者之一,當時任職伊利諾大學,現在加拿大英屬哥倫比亞大學)領導的團隊表示,這也是辨識惡魔的絕佳選項,有三個嵌套電子能帶,其中兩個與 1956 年最初惡魔概念有相似對照。

Husain 使用電子能譜儀(electron spectroscopy)研究釕酸鍶時,資料發現一些看起來像準粒子(quasiparticle)的東西,亦即一種表現得像粒子的集體激發。雖然已有相當多已知準粒子,但研究員發現的與已知準粒子任一個都不匹配,對音學聲子(acoustic phonon)來說太快了,對表面電漿子(surface plasmon)又太慢了。

後續種種分析顯示,最有可能就是派恩提出的惡魔;且團隊甚至能複製檢測。專門針對特性的研究也提出一些問題,如阻尼效應(damping effect)比預期小,並不同電子能帶有奇怪的電洞。

隨著「派恩之惡魔」有可能在超導體扮演舉足輕重的角色,相關研究時機也更成熟,研究員認為,其他多能帶金屬可能是研究議題、觀察在一系列情境下的行為如何變化的絕佳目標,且可使用電子顯微鏡掃描以研究更高解析度。

(首圖來源:影片截圖)

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