Znanstveniki po naključju potrdili obstoj demona

Leta 1956 je ameriški teoretični fizik David Pines napovedal, da se elektroni v trdni snovi lahko obnašajo na nepričakovan način.

Čeprav imajo običajno maso in električni naboj, je Pines trdil, da se lahko združijo v tako imenovano kvazidelčno stanje, ki je brez mase, električno nevtralno in ne interagira s svetlobo.

Ta pojav je predvsem v poljudnoznanstveni literaturi dobil ime "demon".

Ne gre za delec s kakšnimi demonskimi lastnostmi, temveč za fizikalni pojav, ki je svoje ime dobil kot okrajšava za angleški izraz "Distinct Electron Motion" (posebno gibanje elektronov), z dodano fizikalno pripono -on, značilno za delce, kot so foton, elektron, proton …

Pravzaprav demon ni osnovni delec, kot so na primer proton, nevtron ali elektron, ampak kvazidelec – kolektivno nihanje, ki izhaja iz skupinskega gibanja elektronov v materialu.

V tem primeru gre za posebno obliko plazmona – diskretnega vala, ki nastane zaradi kolektivnih nihanj elektronske gostote v kovini ali drugem prevodnem materialu.

Ker je ta pojav brez mase in naboja, ga je izjemno težko neposredno zaznati – kar je tudi razlog, da se je "Pinesov demon", kot so ga tudi imenovali, dolgo izmikal potrditvi.

Demona odkrili po naključju

Znanstveniki so že od prvega opisa demona domnevali, da bi lahko igral pomembno vlogo pri obnašanju številnih kovin – zlasti v povezavi s superprevodnostjo.

Nedavno so raziskovalci z univerze Illinois našli konkretne dokaze za obstoj tega teoretičnega "demona" v kovini, imenovani stroncijev ruteniat (Sr₂RuO₄).

V članku, objavljenem v ugledni znanstveni reviji Nature, so zapisali, da so demona odkrili po naključju – med raziskovanjem lastnosti te kovine, ki kaže podobnosti z visokotemperaturnimi superprevodniki, čeprav sama to ni.

Med eksperimentiranjem so raziskovalci zaznali signal oziroma tok, ki ni ustrezal nobenemu od znanih pojavov, kot so površinski plazmoni ali fononi.

"Na začetku nismo imeli pojma, kaj gledamo. Demoni niso del običajnega besednjaka v fiziki. Ta možnost se je pojavila že zgodaj, a smo se ji najprej smejali," je v izjavi za javnost povedal soavtor študije, Ali Husain. "A ko smo začeli sistematično izključevati druge možnosti, smo začeli sumiti, da smo morda res naleteli na demona."

Znanstveniki so izvedli vrsto poskusov, pri katerih so elektrone izstreljevali na kristal stroncijevega ruteniata in z izjemno natančnostjo merili energijske spremembe.

Tako so lahko sledili gibanju kvazidelca skozi material in ugotovili, da njegovo obnašanje natančno ustreza Pinesovi 67 let stari teoretični napovedi.

"To kaže, kako pomembno je preprosto meriti stvari," je dejal Peter Abbamonte, profesor fizike na univerzi v Illinoisu in soavtor študije. "Večina velikih odkritij ni načrtovanih. Greš pogledat nekam, kjer še nihče ni bil – in vidiš, kaj je tam."

Odkritje je pomembno za razlago superprevodnosti

Odkritje tega kvazidelca je še posebej pomembno za razumevanje superprevodnosti, zlasti tiste, ki se pojavlja pri višjih temperaturah.

Standardna razlaga superprevodnosti, znana kot BCS-teorija, pojasnjuje pojav kot posledico interakcije med elektroni in fononi (vibracijami kristalne mreže).

Vendar ta teorija ne zmore v celoti razložiti vedenja visokotemperaturnih superprevodnikov – kar nakazuje, da morda obstaja drugačen mehanizem.

Eden od kandidatov za ta alternativni mehanizem je prav demon, ki se lahko pojavi pri višjih temperaturah in brez energijske omejitve – kar pomeni, da bi lahko imel ključno vlogo pri prenosu električne energije brez upora v materialih, ki jih danes še ne razumemo povsem.

N1 PODKAST S SUZANO LOVEC: Slovenija je lepše delala z biseri kot Hrvaška