67 yaşındaki parçacık fizikçisinin tuhaf tahmini nihayet doğrulandı

David Baines’in teorik öngörüsünden altmış yedi yıl sonra, stronsiyum rutenatlarda katılarda kütlesiz ve nötr bir varlık olan bulunması zor “şeytan” parçacığı keşfedildi ve bu da yenilikçi araştırma yaklaşımlarının değerinin altını çizdi.

1956’da teorik fizikçi David Baines, katı maddedeki elektronların tuhaf şeyler yapabileceğini öngördü. Elektronların genellikle kütlesi ve elektrik yükü olmasına rağmen Baines, kütlesiz, nötr ve ışıkla etkileşime girmeyen bileşik bir parçacık oluşturmak için birleşebileceklerini ileri sürdü. Bu teorik parçacığa “Şeytan” adını verdi. O zamandan beri, çok çeşitli minerallerin davranışında önemli bir rol oynadığı varsayılmıştır. Ne yazık ki onu bu kadar ilginç kılan aynı özellikler, beklediğinden beri tespit edilmekten kurtulmasına izin verdi.

67 yıl sonra, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’de (UIUC) fizik profesörü olan Peter Abamonte liderliğindeki bir araştırma ekibi nihayet bulunması zor Çam Şeytanı’nı keşfetti. Araştırmacılar ayrıca dergide bildirdiler doğaMaddenin elektronik kalıplarını doğrudan harekete geçiren, stronsiyum rutenat mineralindeki şeytanın imzasını görmelerine olanak tanıyan, standart dışı bir deneysel teknik kullandılar.

Abamonte, “Şeytanlar uzun süredir teorik olarak tartışılıyor ancak ampiristler tarafından hiçbir zaman incelenmedi.” dedi. “Aslında onu aramıyorduk bile. Ama tam olarak doğru şeyi yaptığımız ortaya çıktı ve onu bulduk.”

Şeytan anlaşılması zor

Yoğun madde fiziğinin en önemli keşiflerinden biri, elektronların katılarda bireyselliklerini kaybetmesidir. Elektriksel etkileşimler elektronların kolektif birimler oluşturmak üzere birleşmesine neden olur. Yeterli enerjiyle elektronlar, temel elektriksel etkileşimlerle belirlenen yeni yük ve kütleye sahip, plazmon adı verilen karmaşık parçacıklar oluşturabilir. Bununla birlikte, kütle genellikle oda sıcaklığında mevcut enerjilerle plazmonların oluşması için çok büyüktür.

Baines bir istisna buldu. Bir katı, birçok metalde olduğu gibi birden fazla enerji bandında elektronlar içeriyorsa, bunların plazmonlarının faz dışı bir düzende birleşerek yeni, kütlesiz, nötr bir plazmon, yani bir iblis oluşturabileceğini savundu. İblisler kütlesiz oldukları için her türlü enerjiyle oluşabiliyorlar, yani her sıcaklıkta var olabiliyorlar. Bu durum, bunların çok ölçekli minerallerin davranışı üzerinde önemli etkileri olduğu yönünde spekülasyonlara yol açmıştır.

İblislerin tarafsızlığı, standart yoğun madde deneylerinde hiçbir iz bırakmadıkları anlamına geliyor. Abbamonte, “Deneylerin büyük çoğunluğu ışık kullanılarak ve optik özelliklerin ölçülmesiyle yapılıyor, ancak elektriksel olarak nötr olmak, iblislerin ışıkla etkileşime girmediği anlamına geliyor.” dedi. “Tamamen farklı türde bir deneye ihtiyaç vardı.”

Beklenmedik bir keşif

Abbamonte, kendisinin ve çalışma arkadaşlarının stronsiyum rutenit üzerinde ilgisiz bir nedenden dolayı çalıştıklarını hatırlıyor: Metal, süperiletken olmasa da yüksek sıcaklıkta bir süperiletkendir. Bu olgunun diğer sistemlerde neden oluştuğuna dair ipuçları bulmayı umarak metalin elektronik özelliklerine ilişkin ilk araştırmayı gerçekleştirdiler.

Kyoto Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Yoshi Maeno başkanlığındaki araştırma grubu, Abamonte ve eski yüksek lisans öğrencisi Ali Hussein’in momentum çözümlü elektron enerji kaybı spektroskopisi kullanarak incelediği metalin yüksek kaliteli örneklerini topladı. Bu standart olmayan bir tekniktir ve oluşan plazmonlar da dahil olmak üzere mineralin özelliklerini doğrudan gözlemlemek için metale salınan elektronlardan gelen enerjiyi kullanır. Araştırmacılar verileri incelerken alışılmadık bir şey buldular: kütlesiz bir elektron modu.

Şu anda Quantinum’da araştırma bilimcisi olan Hussain, “İlk başta bunun ne olduğu hakkında hiçbir fikrimiz yoktu” diye anımsıyor. Şeytanlar ana akımda değil. Bu olasılık erkenden ortaya çıktı ve biz buna güldük. Ancak bazı şeyleri göz ardı etmeye başladıkça Şeytan’ı gerçekten bulduğumuzdan şüphelenmeye başladık.

UIUC doktora sonrası araştırmacısı ve yoğun madde teorisyeni Edwin Huang’dan sonunda stronsiyum rutenitin elektronik yapısının özelliklerini hesaplaması istendi. “Baines’in iblislerin varlığına ilişkin öngörüsü oldukça spesifik koşullar gerektiriyor ve stronsiyum rutenitin bir iblis içermesi gerekip gerekmediği hiç kimse için açık değildi” dedi. “Neler olduğunu göstermek için mikroskobik bir hesaplama yapmak zorundaydık. Bunu yaptığımızda, tıpkı Baines’in tanımladığı gibi, yaklaşık aynı miktarda faz dışında salınan iki elektron bandından oluşan bir parçacık bulduk.

arama şansı

Abbamont’a göre grubunun Şeytan’ı “kazara” keşfetmesi tesadüf değildi. Kendisinin ve grubunun, iyi çalışılmamış materyal üzerinde yaygın olarak kullanılmayan bir teknik kullandığını iddia etti. Beklenmedik ve önemli bir şeyi keşfetmelerinin sadece şansın değil, farklı bir şey denemenin sonucu olduğuna inanılıyor.

“Sadece bir şeyleri ölçmenin öneminden bahsediyor” dedi. “Büyük keşiflerin çoğu planlanmamıştır. Gidip yeni bir yer bulun ve orada neler olduğunu görün.”

Referans: “Demon Pines’ı Sr’de 3 boyutlu bir akustik plazmon olarak not edin.₂RuO₄Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Si Chiang, Philip E. Batson, Philip tarafından yazılmıştır. W. Phillips ve Peter Abamonte, 9 Ağustos 2023, Buradan Erişebilirsiniz. doğa.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte, UIUC Malzeme Araştırma Laboratuvarı’nın bir üyesidir. Huang, UIUC’ta Yoğun Madde Teorisi Enstitüsü’nün bir üyesidir.

UIUC’den profesörler Philip Phillips, Harvard Üniversitesi’nden Matteo Mitrano, Oklahoma Üniversitesi’nden Bruno Ochoa ve Rutgers Üniversitesi’nden Philip Paston bu çalışmaya katkıda bulundular.

Destek ABD Enerji Bakanlığı, Japonya Bilimi Geliştirme Derneği, Ulusal Bilim Vakfı ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından sağlanmıştır.