1956年，理論物理學家David Pines預言，固體金屬中的電子可以表現出一些奇怪的行為。Pines斷言，通常情況下具有質量和電荷的電子，可以結合形成一種無質量、電中性，且不與光發生相互作用的複合粒子。他將這些粒子稱為「惡魔」。
從那時起，物理學家就推測「惡魔」在各種金屬行為中都起到了重要作用。可惜的是，成也「惡魔」敗也「惡魔」，那些使它們奇特的特性也使得它們非常難以被實驗捕捉。自被預言以來，實驗物理學家從未真正研究過它們。
現在，在Pines的預言過去了67年後，一組實驗物理學家終於找到了這種奇特的「惡魔」！通過使用一種非標準的實驗技術，他們直接激發了一種材料的電子模式，在金屬釕酸鍶（Sr₂RuO₄）中看到了這種複合粒子存在的跡象。這一發現已經被髮表在近期的《自然》雜誌中。
難以捉摸的惡魔
在凝聚態物理學中，最重要的發現之一就是電子在固體中會失去其個體性，電相互作用會使電子結合形成集體單元。
當能量足夠時，這些電子甚至可以形成一種被稱為等離體子的複合粒子，這種粒子將具有新的電荷和質量，具體值取決於潛在的電相互作用。不過通常情況下，等離體子在室溫能量下是無法形成的，因為質量太大。
然而，Pines發現了一個例外。他認為，如果一種固體擁有多個能帶的電子，那麼它們各自的等離體子就能夠以一種異相的模式結合，形成一個新的無質量的、電中性的「惡魔」等離體子。
由於「惡魔」沒有質量，因此它們能夠以任何能量形成，並可能存在於任何溫度下。這使得物理學家推測，「惡魔」對多波段金屬的行為都有重要影響。
惡魔的電中性意味著它們不會在標準的凝聚態物理學實驗中留下痕跡。因為絕大多數的凝聚態實驗都是用光來完成的，測量的是光學特性，而電中性的「惡魔」則會使它不與光發生任何相互作用。因此，探測「惡魔」需要進行完全不同的實驗。
一個偶然的發現
和許多偉大的發現一樣，這次的突破也源於偶然。據研究人員回憶，他們之所以研究釕酸鍶，是出於一個與惡魔毫無關係的原因——這種金屬與高溫超導體相似，但它又不是高溫超導體。為了分析為什麼會出現這種現象，他們對這種金屬的電子特性展開了調查。
研究人員合成了高質量的釕酸鍶金屬樣品，並使用動量分辨電子能量損失能譜法對其進行了檢測。這是一種非標準技術，它利用來自射入金屬的電子的能量，直接觀測金屬的特徵，比如形成的等離體子。
這次，當研究人員查看資料時，發現了一些不尋常的東西：一個沒有質量的電子模。
一開始，他們無法判斷這到底是什麼。但隨著研究的深入，他們逐個排除種種可能性，開始懷疑這可能就是Pines早就預言過的「惡魔」。
此外，他們通過微觀計算，描繪了釕酸鍶的電子結構特徵，發現了一個由兩個電子能帶組成的粒子，它們以幾乎相等的振幅異相振盪，正如Pines所描述的那樣。
測量的重要性
研究人員表示，雖然「惡魔」的發現源於偶然，但實驗結果是確鑿無疑的。另外，他們強調，在這項研究中，他們使用的是一種尚未被廣泛應用的技術，觀測的對象也是一種尚未得到充分研究的物質，這凸顯了開展實驗測量的重要性。他們認為，之所以能做出這樣的意想不到的重要發現，要歸功於對不同事物的嘗試。正如大多數重大發現都是沒有提前計劃的那樣，一些新的嘗試可能會帶來新的驚喜。
#創作團隊：
撰文：Michael O’Boyle
排版：雯雯
#參考來源：
https://phys.org/news/2023-08-demon-physicists-year-old-massless-neutral.html
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8
#圖片來源：
封面圖&首圖：DigitalDimensions / Pixabay