物理学家证实了67年前对无质量中性复合粒子的预测

　　原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

　　来自Sr2RuO4的高能M-EELS光谱。a，从裂解的Sr2RuO4表面反射M-EELS实验的概念图。b，固定q（以r.l.u为单位）能量损失扫描，沿（1，0）晶体学方向选择q值，在T = 300 K处拍摄。这些光谱是通过分割M-EELS基质元素并缩放曲线获得的，如文献37中所述。在小时刻（q < 0.16 r.l.u.），光谱显示出宽的等离激元特征，峰值为1.2 eV。在较大的动量下，数据显示与能量无关的连续统一体，如之前在Bi2Sr2CaCu2O8 + x中观察到的那样（参考文献37）。资料来源：自然（2023 年）。DOI： 10.1038/s41586-023-06318-8

　　1956年，理论物理学家大卫·派恩斯（David Pines）预测，固体中的电子可以做一些奇怪的事情。虽然它们通常具有质量和电荷，但Pines断言它们可以结合形成无质量，中性且不与光相互作用的复合粒子。他称这种粒子为“恶魔”。从那时起，人们一直推测它在各种金属的行为中起着重要作用。不幸的是，使它变得有趣的相同特性使其自预测以来就躲避了检测。

　　现在，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学教授彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）领导的一组研究人员终于在预测67年后发现了派恩斯的恶魔。正如研究人员在《自然》杂志上报道的那样，他们使用了一种非标准的实验技术，直接激发材料的电子模式，使他们能够看到金属锶钌酸盐中的恶魔特征。

　　“恶魔在理论上已经推测了很长时间，但实验学家从未研究过它们，”Abbamonte说。“事实上，我们甚至没有寻找它。但事实证明，我们做的完全是正确的，我们找到了。

　　难以捉摸的恶魔

　　凝聚态物理学最重要的发现之一是电子在固体中失去了个性。电相互作用使电子结合形成集体单元。有了足够的能量，电子甚至可以形成称为等离激元的复合粒子，其新的电荷和质量由潜在的电相互作用决定。然而，质量通常如此之大，以至于等离激元不能在室温下形成可用的能量。

　　派恩斯发现了一个例外。如果一个固体像许多金属一样在一个以上的能带中具有电子，他认为它们各自的等离激元可以以异相模式组合形成一个无质量且中性的新等离激元：恶魔。由于恶魔是无质量的，它们可以与任何能量形成，因此它们可以存在于任何温度下。这导致人们猜测它们对多波段金属的行为有重要影响。

　　恶魔的中立意味着它们在标准凝聚态实验中不会留下签名。“绝大多数实验都是用光完成的，并测量光学特性，但电中性意味着恶魔不会与光相互作用，”Abbamonte说。“需要一种完全不同的实验。

　　一个偶然的发现

　　Abbamonte回忆说，他和他的合作者研究锶钌酸盐的原因并不相关 - 这种金属类似于高温超导体，但不是。为了找到为什么这种现象发生在其他系统中的线索，他们正在对金属的电子特性进行第一次调查。

　　京都大学物理学教授Yoshi Maeno的研究小组合成了高质量的金属样品，Abbamonte和前研究生Ali Husain用动量分辨电子能量损失光谱法检查了这些样品。这是一种非标准技术，它利用射入金属的电子的能量直接观察金属的特征，包括形成的等离激元。然而，当研究人员查看数据时，他们发现了一些不寻常的东西：一种没有质量的电子模式。

　　侯赛因现在是Quantinuum的研究科学家，他回忆说：“起初，我们不知道它是什么。恶魔不是主流。这种可能性很早就出现了，我们基本上一笑置之。但是，当我们开始排除事情时，我们开始怀疑我们真的找到了恶魔。

　　UIUC的摩尔博士后学者和凝聚态理论家Edwin Huang最终被要求计算钌酸锶电子结构的特征。“松树对恶魔的预测需要相当具体的条件，任何人都不清楚锶锶是否应该有恶魔，”他说。“我们必须进行微观计算以澄清发生了什么。当我们这样做时，我们发现一个由两个电子带组成的粒子以几乎相等的幅度异相振荡，就像Pines描述的那样。

　　只测量东西的重要性

　　根据阿巴蒙特的说法，他的团队“偶然”发现了恶魔并非偶然。他强调，他和他的团队正在使用一种尚未得到充分研究的物质上未广泛使用的技术。他认为，他们发现了一些意想不到的重要东西，这是简单地尝试不同事物的结果。

　　“这说明了仅仅测量东西的重要性，”他说。“大多数重大发现都不是计划好的。你去找个新的地方，看看那里有什么。

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　　原标题：《『恶魔狩猎：物理学家证实了67年前对无质量中性复合粒子的预测(phys)》

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