首次发现：物理学家证实了67年前对无质量中性复合粒子的预测
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1956年，理论物理学家大卫·派恩斯预言了一种“恶魔”粒子，这是一种无质量、无电荷、不与光耦合的复合粒子，由金属中的电子形成。它可能对金属的各种性质，比如超导、半金属转变等，有重要的影响。从那时起，人们一直在寻找它的踪迹，但直到最近才在实验上被发现。
首先我们要知道，在固体中，电子并不是孤立的个体，而是相互作用的集体。电子之间的库仑相互作用会使它们结合成一种新的粒子，叫做等离子体。等离子体可以看作是一种量子声波，它是由电子气中的电荷密度波动产生的。等离子体有一个新的电荷和质量，由基本电子相互作用决定。等离子体的能量和频率之间有一个固定的关系，叫做色散关系。色散关系可以告诉我们，要激发一个等离子体，需要多少能量。 然而，并不是所有的固体都只有一种电子。有些固体中，电子可以存在于不同的能带中。不同能带中的电子有不同的运动状态和能量范围。如果一个固体有多个能带，并且这些能带都被部分填充了电子，那么每个能带都可以形成自己的等离子体。这些等离子体之间也会相互作用，产生新的复合粒子。 派恩斯在1956年就预言了一种这样的复合粒子，他把它叫做“恶魔”。他之所以这么命名，是为了纪念提出了“麦克斯韦恶魔”的物理学家麦克斯韦，另一个原因是这个粒子是由不同能带中电子运动（Distinct Electron Motion）形成的（DEMon）。恶魔粒子是一种无质量、无电荷、不与光耦合的复合粒子，它是由两个或多个不同能带中的等离子体以反相方式结合而成的。恶魔粒子没有能量损失，但会导致不同能带中电子占据数发生变化。恶魔粒子是一种中性集体模式，它被另一个能带中的电子所衰减或屏蔽。 恶魔粒子之所以难以被发现，是因为它没有电荷和质量，所以不能通过光或其他外场来激发或探测。但是，恶魔粒子有一个很特殊的性质，就是它的色散关系是线性的，也就是说，它的能量和频率成正比。这意味着，恶魔粒子可以用任意小的能量来激发，所以它可能在任何温度下都存在。这也使得恶魔对金属的各种性质，比如超导、半金属转变等，有重要的影响。 那么，恶魔粒子是在什么样的材料中被发现的呢？答案是一种叫做Sr2RuO4的金属氧化物。这种材料有很多奇妙的性质，比如它是一种非常规的超导体，它的超导转变温度是1.5 K，而且它的超导配对机制和对称性还不清楚。它也是一种强关联电子系统，它的电子结构有三个能带，分别叫做α、β和γ能带。这三个能带都被部分填充了电子，而且它们之间有很强的库仑相互作用和自旋轨道耦合。这些因素使得Sr2RuO4成为一个理想的平台，来研究恶魔粒子和其他复杂的电子现象。
为了探测恶魔粒子，研究人员使用了一种叫做共振非弹性X射线散射的技术。这种技术可以用X射线来激发和探测固体中的各种粒子和模式。通过调节X射线的能量和角度，可以选择性地激发不同能带中的电子，并观察它们之间的相互作用。研究人员发现，在某些特定的条件下，X射线可以激发出一种新的粒子，它的色散关系是线性的，并且与光无关。这正是恶魔粒子的特征。 研究人员进一步分析了恶魔的性质，发现它是由α和β能带中的等离子体以反相方式结合而成的。这两个能带中的电子有不同的自旋轨道耦合强度，所以它们有不同的有效质量和速度。当X射线激发α能带中的电子时，会产生一个正向的等离子体，同时也会激发β能带中的电子，产生一个反向的等离子体。这两个等离子体之间会相互作用，形成一个无质量、无电荷、不与光耦合的恶魔粒子。恶魔粒子在三维空间中传播，所以它被称为3D声学等离子体。恶魔粒子会导致α和β能带中电子占据数发生变化，而γ能带中的电子则会衰减或屏蔽恶魔。 这项研究是第一次实验上观察到恶魔，并揭示了它在Sr2RuO4中的起源和性质。这对于理解金属中复杂的电子现象，以及探索新奇的超导机制，都有重要的意义。恶魔粒子可能还存在于其他多能带金属中，比如铁基超导体、过渡金属氧化物等。未来，我们可以用更先进的技术来进一步研究恶魔和其他相关粒子，在物理学领域开辟新的视野。 |
