Pines' Demon:Αποκαλύπτοντας το αόρατο φαινόμενο στους υπεραγωγούς

Το 1956, ο David Pines διαμόρφωσε ένα φάντασμα. Προέβλεψε την ύπαρξη θαλασσών από ηλεκτρικούς κυματισμούς που θα μπορούσαν να εξουδετερώσουν ο ένας τον άλλον, καθιστώντας τον συνολικό ωκεανό ακίνητο ακόμη και όταν μεμονωμένα κύματα έπεφταν και ρέουν. Το περίεργο, που έγινε γνωστό ως δαίμονας του Pines, θα ήταν ηλεκτρικά ουδέτερο και επομένως αόρατο στο φως — ο ορισμός του δύσκολου να ανιχνευθεί.

Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι φυσικοί κατάφεραν να ρίξουν μια ματιά σε παραλλαγές των δαιμόνων. Αλλά ο αρχικός δαίμονας του Pines — που θα προέκυπτε φυσικά από ηλεκτρόνια σε μεταλλικά μπλοκ — δεν ανιχνεύτηκε.

Τώρα μια ομάδα φυσικών στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Urbana-Champaign φαίνεται να έχει εντοπίσει τον δαίμονα του Pines. Αφού βελτίωσε μια τεχνική για την ακριβή παρακολούθηση των ηλεκτρονίων καθώς αποσπούν ένα υλικό, η ομάδα παρήγαγε και ανίχνευσε μια σειρά περιοδικών κυμάτων που κυματίζουν σε σμήνη ηλεκτρονίων. Αυτά τα κύματα, τα οποία οι φυσικοί αποκαλούν «τρόπους λειτουργίας», ταιριάζουν σε μεγάλο βαθμό με τους υπολογισμούς του Pines. Οι ερευνητές ανέλυσαν τα ευρήματά τους στο Nature τον Αύγουστο.

«Αυτοί οι τρόποι δεν έχουν παρατηρηθεί εδώ και 70 χρόνια», είπε ο Piers Coleman, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rutgers. Αλλά αυτό το νέο πείραμα, κατά κάποιο τρόπο, "επιλέγει αυτούς τους τρόπους δαίμονας".

Φανταστείτε τους Δαίμονες

Η δεκαετία του 1950 ήταν μια εποχή έκρηξης για τη μελέτη των ηλεκτρονίων στα μέταλλα. Οι φυσικοί είχαν ήδη αναπτύξει μια απλοϊκή θεωρία που αγνοούσε την τάση των ηλεκτρονίων να απομακρύνουν το ένα το άλλο, αντιμετωπίζοντάς τα συλλογικά σαν να σχημάτιζαν ένα είδος αερίου ελεύθερης ροής. Το 1952, ο Pines και ο σύμβουλός του, David Bohm, προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα. Αφού πρόσθεσαν τις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων σε αυτή τη θεωρία του «αερίου ηλεκτρονίων», ανακάλυψαν ότι τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να συσσωρευτούν σε ορισμένα σημεία και να εξαπλωθούν σε άλλα. Αυτά τα ηλεκτρόνια ομαδοποίησης σχημάτισαν τακτοποιημένα κύματα εναλλασσόμενης υψηλότερης και χαμηλότερης πυκνότητας (και επομένως περιοχές με υψηλότερο και χαμηλότερο ηλεκτρικό φορτίο).

Ένα κύμα ηλεκτρονίων (μπλε) με εναλλασσόμενες περιοχές υψηλής και χαμηλής πυκνότητας.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Ο Pines στη συνέχεια ώθησε τη νέα θεωρία ακόμη περισσότερο. Φαντάστηκε ένα υλικό που περιέχει δύο αέρια, το καθένα φτιαγμένο από διαφορετικό τύπο φορτισμένου σωματιδίου. Συγκεκριμένα, οραματίστηκε ένα μέταλλο με «βαριά» ηλεκτρόνια και «ελαφριά» ηλεκτρόνια. (Όλα τα ηλεκτρόνια είναι πανομοιότυπα στη θεωρία, αλλά στον πραγματικό κόσμο οι μετρήσιμες ιδιότητές τους εξαρτώνται από το περιβάλλον τους.) Οι Pines διαπίστωσαν ότι τα κύματα στο πρώτο αέριο θα μπορούσαν να εξουδετερώσουν τα κύματα στο δεύτερο. όπου μαζεύονταν βαριά ηλεκτρόνια, τα ελαφρά ηλεκτρόνια αραίωσαν. Στη συνέχεια, καθώς διασκορπίζονταν οι βαριές συστάδες ηλεκτρονίων, τα ελαφρύτερα ηλεκτρόνια θα συγκεντρώνονταν για να γεμίσουν τις λεπτότερες κηλίδες. Επειδή το ένα αέριο πάχυνε ακριβώς εκεί που το άλλο αέριο αραιώθηκε, η συνολική πυκνότητα ηλεκτρονίων και των δύο τύπων μαζί — και επομένως το συνολικό φορτίο και το ηλεκτρικό πεδίο — θα παρέμενε ουδέτερη και αμετάβλητη. «Τα πράγματα μπορούν να κινούνται ακόμα και όταν φαίνεται να μην είναι», είπε ο Anshul Kogar, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες.

Επικαλυπτόμενα κύματα δύο τύπων ηλεκτρονίων (μπλε και χρυσό). Η πυκνότητα κάθε χρώματος ποικίλλει, αλλά η συνολική πυκνότητα των σωματιδίων παραμένει ίδια παντού.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Το φως ανακλάται μόνο από αντικείμενα με ανομοιόμορφη κατανομή ηλεκτρικού φορτίου, έτσι η ουδετερότητα της δόνησης του Pines το κατέστησε τελείως αόρατο. Το φως έρχεται σε πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια, και ο Pines βάφτισε τα ενεργειακά πακέτα του κύματος του «δαίμονες». Το όνομα ήταν ένα νεύμα στο πείραμα της δαιμονικής σκέψης του Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ, ενός πρωτοπόρου φυσικού που, θρηνούσε ο Πάινς, είχε ζήσει πολύ νωρίς για να ονομαστεί ένα σωματίδιο ή ένα κύμα γι' αυτόν. "Προτείνω, προς τιμήν του Maxwell, και επειδή εδώ ασχολούμαστε με μια περίπτωση διακριτής κίνησης ηλεκτρονίων (ή D.E.M.), να ονομάσουμε αυτές τις νέες διεγέρσεις "δαίμονες"", έγραψε ο Pines το 1956.

Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι φυσικοί είδαν δαιμονικά κύματα σε διάφορα υλικά. Το 1982, ερευνητές στο Bell Labs εντόπισαν αντίθετα κύματα σε γειτονικά φύλλα αρσενιδίου του γαλλίου. Και φέτος, μια ομάδα με επικεφαλής τον Φενγκ Γουάνγκ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ περιέγραψε ένα πείραμα που συνέλαβε σχεδόν αόρατα κύματα ηλεκτρονίων που χτυπούν συγχρονισμένα με ελαφρώς λεπτότερα κύματα θετικά φορτισμένων αντικειμένων που μοιάζουν με σωματίδια σε ένα φύλλο γραφενίου.

Ο David Pines προέβλεψε ότι ένα αόρατο κύμα «δαίμονας» θα μπορούσε να προκύψει σε υλικά με δύο τύπους ηλεκτρονίων.

Minesh Bacrania για SFI

Αλλά τέτοιες θεάσεις έγιναν σε μεγάλο βαθμό σε δισδιάστατα συστήματα όπου ένα καθοριστικό δαιμονικό χαρακτηριστικό ήταν λιγότερο εντυπωσιακό. Λόγω μιας ιδιορρυθμίας στις διαστάσεις, σε 2D μπορείτε να ενεργοποιήσετε ένα κύμα φόρτισης με όσο λίγη προσπάθεια θέλετε. Αλλά στο 3D, η έναρξη ενός κύματος απαιτεί μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας για να συνωστιστούν τα ακοινωνικά ηλεκτρόνια. Οι ηλεκτρικά ουδέτεροι δαίμονες γλιτώνουν από αυτό το κόστος τρισδιάστατης ενέργειας. «Το να βλέπεις τον δαίμονα σε ένα τρισδιάστατο στερεό είναι λίγο ιδιαίτερο», είπε ο Kogar, ο οποίος έκανε τη διδακτορική του έρευνα με την ομάδα Urbana-Champaign.

Here Be Demons

Η ομάδα Urbana-Champaign, με επικεφαλής τον Peter Abbamonte, δεν πήγε ποτέ για κυνήγι δαιμόνων. Ο δαίμονας των Pines μπήκε κατευθείαν στο εργαστήριό τους.

Το 2010, η ομάδα του Abbamonte άρχισε να αναπτύσσει μια τεχνική για την ανίχνευση λεπτών δονήσεων που κυματίζουν μέσα από ορδές ηλεκτρονίων. Έριχναν ένα υλικό με ηλεκτρόνια και κατέγραφαν με ακρίβεια την ενέργεια που μετέφεραν και τη διαδρομή που πήραν όταν αναπήδησαν πίσω. Με βάση τις λεπτομέρειες αυτών των ricochets, η ομάδα θα μπορούσε να συμπεράνει πώς το υλικό ανταποκρίθηκε στη σύγκρουση, η οποία με τη σειρά της αποκάλυψε τις ιδιότητες τυχόν κυμάτων που δημιουργούσε η σύγκρουση. Ήταν λίγο σαν να προσδιορίζαμε αν μια μπανιέρα γεμίζει νερό, μέλι ή πάγο ρίχνοντάς την με μπάλες πινγκ πονγκ.