A bizarra previsão de um físico de partículas de 67 anos foi finalmente confirmada

Os pesquisadores descobriram Devil Pines, uma coleção de elétrons em um metal que se comporta como uma onda sem massa. Crédito: Grainger College of Engineering, Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Sessenta e sete anos após a previsão teórica de David Baines, a esquiva partícula do “diabo”, uma entidade neutra e sem massa nos sólidos, foi descoberta em rutenatos de estrôncio, sublinhando o valor de abordagens de investigação inovadoras.

Em 1956, o físico teórico David Baines previu que os elétrons na matéria sólida poderiam fazer algo estranho. Embora os elétrons geralmente tenham massa e carga elétrica, Baines afirmou que eles podem se combinar para formar uma partícula composta sem massa, neutra e que não interage com a luz. Ele chamou esta partícula teórica de “Satanás”. Desde então, foi levantada a hipótese de que desempenha um papel importante no comportamento de uma ampla variedade de minerais. Infelizmente, as mesmas características que o tornam tão interessante permitiram que ele escapasse à detecção, pois esperava por isso.

Após 67 anos, uma equipe de pesquisa liderada por Peter Abamonte, professor de física da Universidade de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), finalmente descobriu o esquivo Diabo dos Pinheiros. Os pesquisadores também relataram na revista naturezaEles usaram uma técnica experimental não padronizada que excita diretamente os padrões eletrônicos da matéria, permitindo-lhes ver a assinatura do diabo no mineral rutenato de estrôncio.

“Os demônios são especulados teoricamente há muito tempo, mas nunca foram estudados pelos empiristas”, disse Abamonte. “Na verdade, nem estávamos procurando por isso. Mas acontece que estávamos fazendo exatamente a coisa certa e encontramos.”

Satanás é evasivo

Uma das descobertas mais importantes da física da matéria condensada é que os elétrons perdem sua individualidade nos sólidos. As interações elétricas fazem com que os elétrons se combinem para formar unidades coletivas. Com energia suficiente, os elétrons podem formar partículas complexas chamadas plasmons, com nova carga e massa determinadas por interações elétricas fundamentais. No entanto, a massa é geralmente muito grande para que os plasmons se formem com as energias disponíveis à temperatura ambiente.

Baines encontrou uma exceção. Se um sólido contém elétrons em mais de uma banda de energia, como é o caso de muitos metais, ele argumentou que seus plasmons podem se combinar em um padrão fora de fase para formar um novo plasmon neutro, sem massa: um demônio. Como os demônios não têm massa, eles podem se formar com qualquer energia, portanto podem existir em todas as temperaturas. Isto levou à especulação de que eles têm efeitos importantes no comportamento de minerais multiescala.

A neutralidade dos demônios significa que eles não deixam nenhuma assinatura nos experimentos padrão de matéria condensada. “A grande maioria dos experimentos é feita usando luz e medindo propriedades ópticas, mas ser eletricamente neutro significa que os demônios não interagem com a luz”, disse Abbamonte. “Era necessário um tipo de experimento completamente diferente.”

Uma descoberta inesperada

Abbamonte lembra que ele e seus colaboradores estudavam a rutenita de estrôncio por um motivo não relacionado: o metal é um supercondutor de alta temperatura sem ser supercondutor. Na esperança de encontrar pistas sobre a razão pela qual este fenómeno ocorre noutros sistemas, eles realizaram o primeiro levantamento das propriedades electrónicas do metal.

O grupo de pesquisa liderado por Yoshi Maeno, professor de física na Universidade de Kyoto, coletou amostras de alta qualidade do metal que Abamonte e o ex-aluno Ali Hussein examinaram usando espectroscopia de perda de energia eletrônica com resolução de momento. É uma técnica não padronizada e utiliza a energia dos elétrons que são liberados no metal para observar diretamente as propriedades do mineral, incluindo os plasmons que se formam. À medida que os investigadores analisavam os dados, encontraram algo invulgar: um modo eletrónico sem massa.

“No início, não tínhamos ideia do que era”, lembra Hussain, hoje pesquisador da Quantinum. Os demônios não estão no mainstream. Essa possibilidade apareceu logo no início e basicamente rimos dela. No entanto, à medida que começamos a descartar a possibilidade, começamos a suspeitar que havíamos realmente encontrado Satanás.

Edwin Huang, pesquisador de pós-doutorado da UIUC e teórico da matéria condensada, foi eventualmente solicitado a calcular características da estrutura eletrônica da rutenita de estrôncio. “A previsão de Baines sobre a existência de demônios envolve condições bastante específicas, e não estava claro para ninguém se a rutenita de estrôncio deveria ter um demônio”, disse ele. “Tivemos que realizar um cálculo microscópico para mostrar o que estava acontecendo. Quando o fizemos, encontramos uma partícula composta por duas bandas de elétrons que oscilam fora de fase aproximadamente na mesma proporção, exatamente como Baines descreveu.

acaso para pesquisar

Segundo Abbamont, não foi por acaso que seu grupo descobriu Satanás “por acidente”. Ele afirmou que ele e seu grupo estavam usando uma técnica não amplamente utilizada em materiais que não haviam sido bem estudados. Acredita-se que a descoberta de algo inesperado e significativo seja o resultado de tentar algo diferente, não apenas de sorte.

“Ele fala sobre a importância de apenas medir as coisas”, disse ele. “A maioria das grandes descobertas não são planejadas. Encontre um novo lugar e veja o que há por aí.”

Referência: “Observe o Demon Pines como um plasmon acústico 3D em Sr.₂RuO₄Escrito 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 e Peter Abamonte, 9 de agosto de 2023, disponível aqui. natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte é membro do Laboratório de Pesquisa de Materiais da UIUC. Huang é membro do Instituto de Teoria da Matéria Condensada da UIUC.

Os professores Philip Phillips da UIUC, Matteo Mitrano da Universidade de Harvard, Bruno Ochoa da Universidade de Oklahoma e Philip Paston da Universidade Rutgers contribuíram para este trabalho.

O apoio foi fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Associação Japonesa para o Avanço da Ciência, pela Fundação Nacional de Ciência e pela Fundação Gordon e Betty Moore.