Эта странная частица может помочь раскрыть секреты сверхпроводников
В середине XX века физики уже задумывались о том, что в природе могут существовать необычные частицы, которые не имеют массы и не несут электрического заряда. В 1956 году известный физик Дэвид Пайнс предложил смелую гипотезу: в определённых условиях в металлах может возникать особая коллективная вибрация электронов. Он назвал её «демоном». По его мнению, этот «демон» мог бы объяснить, как именно работает сверхпроводимость в необычных материалах, где обычные теории не дают ответа.
Спустя почти 70 лет после этой идеи учёные из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн смогли найти экспериментальные доказательства существования загадочной частицы. Они обнаружили признаки «демона» в металле под названием стронций рутенат. И, что особенно важно, оказалось, что такая квазичастица может появляться даже при комнатной температуре. Это открытие даёт исследователям надежду: возможно, с его помощью удастся лучше понять механизмы работы высокотемпературных сверхпроводников, которые сегодня остаются одной из самых больших загадок физики.
Кто такой «демон» и почему его так назвали?
Когда слышишь слово «демон», воображение сразу рисует огонь, тьму и мистику. Но в науке всё устроено иначе. Здесь речь идёт не о сверхъестественных силах, а о квантовой механике. Слово «демон» в данном случае — это сокращение от английского distinct electron motion, что переводится как «особое движение электронов». К привычному физикам суффиксу «-он» добавили это выражение, и получилось необычное название.
С научной точки зрения демон Пайнса — это плазмон. Плазмоны — это волны, которые распространяются среди электронов в металле, как рябь по воде. Только в отличие от обычных частиц, этот плазмон не имеет массы и при этом нейтрален по заряду. Представить себе такое ещё можно, но зафиксировать его существование — невероятно сложно.
Как «поймали» демона
Интересно, что на след этой загадочной частицы учёные вышли совершенно случайно. Изначально они исследовали стронций рутенат, чтобы понять, почему этот металл по свойствам похож на высокотемпературные сверхпроводники, но сам сверхпроводником не является.
В процессе опытов они заметили необычное поведение электронов. Частица, которую удалось зарегистрировать, оказалась слишком медленной, чтобы быть плазмоном на поверхности металла. Но при этом она была слишком быстрой, чтобы считать её фононом — колебанием атомной решётки.
«Сначала мы даже не понимали, что это может быть. Идея демона показалась нам почти фантастикой. Мы даже отшутились и не восприняли её всерьёз», — признался один из авторов исследования Али Хусейн. — «Но постепенно, исключая другие варианты, мы начали подозревать, что действительно столкнулись именно с демоном».
Чтобы подтвердить догадку, исследователи обстреливали кристалл стронция рутената электронами и фиксировали малейшие изменения энергии. Точность измерений была настолько высокой, что учёные смогли отследить, как ведёт себя эта квазичастица внутри материала. В итоге оказалось, что она полностью совпадает с предсказанием Пайнса, сделанным 67 лет назад.
«Это показывает, насколько важно в науке просто проводить эксперименты и внимательно смотреть на результаты», — отметил профессор Питер Аббамонте, соавтор работы. — «Большие открытия редко происходят по плану. Обычно всё начинается с того, что мы заглядываем в новое место и видим то, чего раньше не замечали».
Почему это открытие важно для науки
Зачем же физикам нужен этот «демон»? Дело в том, что он может оказаться ключом к пониманию природы сверхпроводимости. Уникальность демона в том, что он безмассовый. А значит, он способен возникать при любой энергии и, возможно, при любой температуре, включая комнатную.
Сегодня основная теория сверхпроводимости называется теорией БКШ — по фамилиям физиков Бардина, Купера и Шриффера. Согласно ей, сверхпроводимость возникает из-за взаимодействия электронов с фононами, то есть с колебаниями атомной решётки вещества. Но эта теория не всегда работает. Особенно плохо она объясняет явление сверхпроводимости у высокотемпературных материалов. Это заставляет учёных искать другие объяснения.
Одно из таких объяснений как раз связано с демоном Пайнса. Учёные считают, что такие частицы могут помогать некоторым материалам переходить в состояние сверхпроводимости, особенно в случае так называемых полуметаллов. Если это подтвердится, физики смогут значительно продвинуться в понимании природы сверхпроводимости.
Взгляд в будущее
Сегодня сверхпроводники используются в самых разных областях — от медицинских томографов и ускорителей частиц до систем передачи энергии без потерь. Но большинство из них работают только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это делает их применение сложным и дорогим.
Если учёные смогут объяснить работу высокотемпературных сверхпроводников и научатся создавать материалы, работающие при комнатной температуре, это станет настоящей технологической революцией. Энергетика, транспорт, медицина и электроника изменятся до неузнаваемости.
Иронично, что первый шаг к такому будущему учёные сделали, «встретившись лицом к лицу» с собственным демоном. Теперь остаётся только надеяться, что эта встреча приведёт к новым открытиям, которые навсегда изменят наше понимание природы вещества.
