Des physiciens confirment la prédiction vieille de 67 ans d’une particule composite neutre et sans masse

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par Peter Abbamonte, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, a finalement trouvé le démon de Pines 67 ans après sa prédiction. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Natureils ont utilisé une technique expérimentale non standard qui excite directement les modes électroniques d’un matériau, leur permettant de voir la signature du démon dans le ruthénate de strontium métallique.

“Les démons ont été théoriquement conjecturés pendant longtemps, mais les expérimentateurs ne les ont jamais étudiés”, a déclaré Abbamonte. “En fait, nous ne le cherchions même pas. Mais il s’est avéré que nous faisions exactement ce qu’il fallait, et nous l’avons trouvé.”

Le démon insaisissable

L’une des découvertes les plus importantes de la physique de la matière condensée est que les électrons perdent leur individualité dans les solides. Les interactions électriques font que les électrons se combinent pour former des unités collectives. Avec suffisamment d’énergie, les électrons peuvent même former des particules composites appelées plasmons avec une nouvelle charge et une nouvelle masse déterminées par les interactions électriques sous-jacentes. Cependant, la masse est généralement si importante que les plasmons ne peuvent pas se former avec les énergies disponibles à température ambiante.

Pines a trouvé une exception. Si un solide a des électrons dans plus d’une bande d’énergie, comme le font de nombreux métaux, il a fait valoir que leurs plasmons respectifs peuvent se combiner dans un schéma déphasé pour former un nouveau plasmon sans masse et neutre : un démon. Puisque les démons sont sans masse, ils peuvent se former avec n’importe quelle énergie, ils peuvent donc exister à toutes les températures. Cela a conduit à spéculer qu’ils ont des effets importants sur le comportement des métaux multi-bandes.

La neutralité des démons signifie qu’ils ne laissent pas de signature dans les expériences standard sur la matière condensée. “La grande majorité des expériences sont réalisées avec de la lumière et mesurent les propriétés optiques, mais être électriquement neutre signifie que les démons n’interagissent pas avec la lumière”, a déclaré Abbamonte. “Un type d’expérience complètement différent était nécessaire.”

Une découverte fortuite

Abbamonte se souvient que lui et ses collaborateurs étudiaient le ruthénate de strontium pour une raison sans rapport – le métal est similaire aux supraconducteurs à haute température sans en être un. Espérant trouver des indices sur la raison pour laquelle le phénomène se produit dans d’autres systèmes, ils menaient la première enquête sur les propriétés électroniques du métal.

Le groupe de recherche de Yoshi Maeno, professeur de physique à l’Université de Kyoto, a synthétisé des échantillons de haute qualité du métal qu’Abbamonte et l’ancien étudiant diplômé Ali Husain ont examinés avec une spectroscopie de perte d’énergie électronique résolue en impulsion. Technique non standard, elle utilise l’énergie des électrons injectés dans le métal pour observer directement les caractéristiques du métal, y compris les plasmons qui se forment. Alors que les chercheurs parcouraient les données, ils ont trouvé quelque chose d’inhabituel : un mode électronique sans masse.

Husain, maintenant chercheur scientifique à Quantinuum, a rappelé : « Au début, nous n’avions aucune idée de ce que c’était. Les démons ne sont pas dans le courant dominant. choses, nous avons commencé à soupçonner que nous avions vraiment trouvé le démon.”

Edwin Huang, chercheur postdoctoral Moore à l’UIUC et théoricien de la matière condensée, a finalement été invité à calculer les caractéristiques de la structure électronique du ruthénate de strontium. “La prédiction de Pines sur les démons nécessite des conditions plutôt spécifiques, et personne ne savait si le ruthénate de strontium devait avoir un démon”, a-t-il déclaré. “Nous avons dû effectuer un calcul microscopique pour clarifier ce qui se passait. Lorsque nous avons fait cela, nous avons trouvé une particule composée de deux bandes d’électrons oscillant hors phase avec une magnitude presque égale, tout comme Pines l’a décrit.”

L’importance de simplement mesurer les choses

Selon Abbamonte, ce n’est pas par hasard que son groupe a découvert le démon “par hasard”. Il a souligné que lui et son groupe utilisaient une technique qui n’est pas largement utilisée sur une substance qui n’a pas été bien étudiée. Qu’ils aient trouvé quelque chose d’inattendu et d’important est une conséquence du simple fait d’avoir essayé quelque chose de différent, croit-il.

“Cela montre l’importance de simplement mesurer les choses”, a-t-il déclaré. “La plupart des grandes découvertes ne sont pas planifiées. Vous allez chercher quelque part de nouveau et voyez ce qu’il y a là-bas.”

Le soutien a été fourni par le Département américain de l’énergie, la Société japonaise pour la promotion de la science, la National Science Foundation et la Gordon and Betty Moore Foundation.