Los investigadores han descubierto Devil Pines, una colección de electrones en un metal que se comporta como una onda sin masa. Crédito: Facultad de Ingeniería Grainger, Universidad de Illinois Urbana-Champaign
Sesenta y siete años después de la predicción teórica de David Baines, se descubrió en rutenatos de estroncio la elusiva partícula «diabólica», una entidad neutra y sin masa en los sólidos, lo que subraya el valor de los enfoques de investigación innovadores.
En 1956, el físico teórico David Baines predijo que los electrones en la materia sólida podrían hacer algo extraño. Aunque los electrones suelen tener masa y carga eléctrica, Baines afirmó que pueden combinarse para formar una partícula compuesta sin masa, neutra y que no interactúa con la luz. Llamó a esta partícula teórica «Satanás». Desde entonces, se ha planteado la hipótesis de que desempeña un papel importante en el comportamiento de una amplia variedad de minerales. Desafortunadamente, las mismas características que lo hacen tan interesante le han permitido eludir la detección porque lo esperaba.
Después de 67 años, un equipo de investigación dirigido por Peter Abamonte, profesor de física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), finalmente descubrió al esquivo Diablo de los Pinos. Los investigadores también informaron en la revista naturalezaUtilizaron una técnica experimental no estándar que excita directamente los patrones electrónicos de la materia, lo que les permitió ver la firma del diablo en el mineral rutenato de estroncio.
«Durante mucho tiempo se ha especulado teóricamente sobre los demonios, pero nunca han sido estudiados por los empiristas», dijo Abamonte. «En realidad, ni siquiera lo estábamos buscando. Pero resulta que estábamos haciendo exactamente lo correcto y lo encontramos».
Satanás es esquivo
Uno de los descubrimientos más importantes de la física de la materia condensada es que los electrones pierden su individualidad en los sólidos. Las interacciones eléctricas hacen que los electrones se combinen para formar unidades colectivas. Con suficiente energía, los electrones pueden formar partículas complejas llamadas plasmones con nueva carga y masa determinadas por interacciones eléctricas fundamentales. Sin embargo, la masa suele ser demasiado grande para que se formen plasmones con las energías disponibles a temperatura ambiente.
Baines encontró una excepción. Si un sólido contiene electrones en más de una banda de energía, como es el caso de muchos metales, argumentó que sus plasmones pueden combinarse en un patrón desfasado para formar un nuevo plasmón neutro, sin masa: un demonio. Como los demonios no tienen masa, pueden formarse con cualquier energía, por lo que pueden existir a todas las temperaturas. Esto ha llevado a especular que tienen efectos importantes sobre el comportamiento de los minerales multiescala.
La neutralidad de los demonios significa que no dejan ninguna firma en los experimentos estándar con materia condensada. «La gran mayoría de los experimentos se realizan utilizando luz y midiendo propiedades ópticas, pero ser eléctricamente neutro significa que los demonios no interactúan con la luz», dijo Abbamonte. «Se necesitaba un tipo de experimento completamente diferente».
Un descubrimiento inesperado
Abbamonte recuerda que él y sus colaboradores estaban estudiando la rutenita de estroncio por una razón no relacionada: el metal es un superconductor de alta temperatura sin serlo. Con la esperanza de encontrar pistas de por qué ocurre este fenómeno en otros sistemas, realizaron el primer estudio de las propiedades electrónicas del metal.
El grupo de investigación encabezado por Yoshi Maeno, profesor de física en la Universidad de Kyoto, recopiló muestras de alta calidad del metal que Abamonte y el ex estudiante graduado Ali Hussein examinaron mediante espectroscopía de pérdida de energía electrónica con resolución de momento. Se trata de una técnica no estándar y utiliza la energía de los electrones que se liberan en el metal para observar directamente las propiedades del mineral, incluidos los plasmones que se forman. Mientras los investigadores examinaban los datos, encontraron algo inusual: un modo electrónico sin masa.
«Al principio, no teníamos idea de qué era», recuerda Hussain, ahora científico investigador en Quantinum. Los demonios no están en la corriente principal. Esta posibilidad apareció desde el principio y básicamente nos reímos de ella. Sin embargo, cuando comenzamos a descartar cosas, comenzamos a sospechar que en realidad habíamos encontrado a Satanás.
Finalmente se le pidió a Edwin Huang, investigador postdoctoral de la UIUC y teórico de la materia condensada, que calculara las características de la estructura electrónica del rutenita de estroncio. «La predicción de Baines sobre la existencia de demonios implica condiciones bastante específicas, y nadie estaba claro si la rutenita de estroncio debería tener un demonio», dijo. «Tuvimos que realizar un cálculo microscópico para mostrar lo que estaba pasando. Cuando lo hicimos, encontramos una partícula que consta de dos bandas de electrones que oscilan fuera de fase en aproximadamente la misma cantidad, tal como lo describió Baines.
serendipia para buscar
Según Abbamont, no fue casualidad que su grupo descubriera a Satanás «por accidente». Afirmó que él y su grupo estaban utilizando una técnica no muy utilizada en material que no había sido bien estudiado. Se cree que el descubrimiento de algo inesperado y significativo es el resultado de intentar algo diferente, no sólo de la suerte.
«Habla de la importancia de simplemente medir las cosas», dijo. «La mayoría de los grandes descubrimientos no están planificados. Busque un lugar nuevo y vea qué hay ahí fuera».
Referencia: “Observe los Demon Pines como un plasmón acústico 3D en Sr2RuO4Escrito por Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Siqiang, Philip E. Batson, Philip W Phillips y Peter Abamonte, 9 de agosto de 2023, disponible aquí. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8
Abamonte es miembro del Laboratorio de Investigación de Materiales de UIUC. Huang es miembro del Instituto de Teoría de la Materia Condensada de la UIUC.
Los profesores Philip Phillips de UIUC, Matteo Mitrano de la Universidad de Harvard, Bruno Ochoa de la Universidad de Oklahoma y Philip Paston de la Universidad de Rutgers contribuyeron a este trabajo.
El Departamento de Energía de Estados Unidos, la Asociación Japonesa para el Avance de la Ciencia, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Gordon y Betty Moore han brindado apoyo.
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