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。