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
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。 |