物理学家67年前预测的「恶魔」现世登Nature：偶然在「假」高温超导体中发现

西风 发自 凹非寺

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物理界67年前预言的“恶魔”现世了！

不过别慌，此恶魔非彼恶魔，不吃小孩（手动狗头）。

它来自于1956年理论物理学家David Pines的预言——

固体金属中，通常情况下具有质量和电荷的电子，可以结合形成的一种无质量、电中性，且不与光发生相互作用的复合粒子。

在Pines看来，这是电子处于固体金属中的一种非常奇怪的行为，就给它起名“恶魔（demon）”粒子。

也正因为恶魔粒子的特性非常奇怪，所以自预测以来，它就没有在实验中被捕捉到过。

但在最近，一组实验物理学家在研究钌酸锶（Sr₂RuO₄）这种与高温超导体相似，又不是高温超导体的物质时，偶然发现了恶魔粒子的迹象！

目前，这一发现已登Nature正刊：

恶魔粒子是一个例外

电子在固体中会失去个体特性是凝聚态物理学中最重要的发现之一。

电子之间的电相互作用能够使它们结合形成集体单元。

当能量足够时，电子甚至可以形成等离体子，具有新的电荷和质量，具体值由潜在电相互作用决定。通常情况下，由于质量过大，等离体子无法在室温能量下形成。

等离体子（plasmon）是等离子体震荡的量子，等离体子是从等离子体震荡量子化而产出的准粒子。

但Pines预测了一个例外。他认为，如果一种固体在多个能带中具有电子，那么它们各自的等离体子就能够以一种异相的模式结合，形成一个无质量且电中性的新等离体子，也就是恶魔粒子。

由于恶魔粒子是无质量的，可以在任何能量下形成，因此它们可以存在于任何温度下。

Pines能够提出这样的预测，还要源于他一直对集体激发模式的研究。

在物理学中，准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象。

1951年，David Pines和David Bohm首次在非弹性电子散射实验中，观察并提出了等离激元的概念，用于描述在固体中由于库伦相互作用产生的电荷密度集体振荡的元激发。

无规相近似(random phase approximation)是Bohm和Pines在1953年讨论金属中电子的等离子体振荡问题时所提出的一种近似方法，用于计算金属中的动态电荷响应函数和集体模式。

正是在这种理论框架下，Pines考虑了多能带金属的情况，预测了恶魔粒子。

之所以命名为恶魔粒子，是因为这种激发在长波长极限下是电中性的，不会对远距离的库伦相互作用产生影响，难以用光谱实验探测，就像“隐形的恶魔”。

他期望这种新模式的提出能推动多能带金属的研究。

尽管理论预期存在，但物理学家长时间都未能在实验中观测到恶魔粒子，Pines的预测成为未解之谜。

2018年，David Pines这位杰出的理论物理学家与世长辞，享年94岁。他的一生在凝聚态物理和核物理领域做出了重要贡献。

遗憾的是，他在生命的最后一刻也没能等到恶魔粒子现世。

直到最近，随着实验技术的进步，恶魔粒子终于被观测到了。

在“假”高温超导体中，偶然发现

说起观测到恶魔粒子，还要归于一次偶然。

一直以来，有一种叫做钌酸锶（Sr₂RuO₄）的物质格外显眼，因为这种物质与高温超导体相似，但它又不是高温超导体。为什么会出现这种现象？

为了寻找问题的答案，来自美国伊利诺伊大学、哈佛大学等多个研究机构的研究人员就对这种金属的电子特性展开了调查。

他们使用一种非标准的实验技术，直接激发了一种材料的电子模式，在钌酸锶（Sr₂RuO₄）中看到了“恶魔粒子”存在的迹象。

具体来说，他们首先用制备的高质量Sr₂RuO₄单晶样品，进行了动量分辨电子能量损失能谱法检测。

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，研究人员查看数据时，发现了一些不寻常的东西：一种没有质量的电子模。

Quantinuum（全球最大集成量子计算公司之一）的研究科学家Husain表示：

起初，我们并不知道那是什么。恶魔这种可能性很早就被提出了，并不是现在的主流，我们基本上一笑置之。

但是，随着各种可能性的一一排除，我们开始怀疑真的找到了恶魔。

研究人员通过微观计算，描绘了钌酸锶的电子结构特征，发现了一个由两个电子能带组成的粒子，以几乎相等的振幅异相振荡，与Pines描述的相符。

具体来说，他们在低能区观测到一个线性的声学模式的色散关系，群速度约为1.07×105 m/s，与理论预期相符。

△在Sr₂RuO₄中的恶魔粒子激发性质

然后研究人员计算了Sr₂RuO₄的动态电荷响应函数，发现一个零能隙声学模式，且强度随动量的四次方变化。

分解响应函数的不同能带成分，证明了这个模式来源于β和γ能带电子的相位相反运动。

△Sr₂RuO₄中恶魔粒子激发的概念图示。a费米面显示了三种电子，α、β和γ，b是γ和β能带填充的调制，保持了整体的电子密度波。

在凝聚态物理学中，费米面是倒易空间中的表面，它在零温度下将占据电子态与未占据电子态分开。

接着通过测量模式的动量依赖性，发现其强度大于总和规则预期，说明其电中性。根据电中性、声学性质和相反相位运动的特征，确定观测到的就是恶魔粒子。

研究人员认为他们发现了恶魔粒子只是因为简单尝试了不同的事物：

这说明了仅检测事物的重要性。大多数重大发现都是没有计划的，你去一个新的地方看看，看看那里有什么。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8

参考链接：
[1]https://phys.org/news/2023-08-demon-physicists-year-old-massless-neutral.html
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/RY_KLrapm1D4H8EdMwm61A