Jak dowiadujemy się z artykułu opublikowanego pod koniec sierpnia w periodyku naukowym Nature, po raz pierwszy udało się zaobserwować cząstkę demona, brzmi dość tajemniczo i nawet szursko, a o co dokładnie w tym wszystkim chodzi?
Naukowcy od lat spekulowali na temat istnienia specyficznego rodzaju cząstki, która przez dekady uchodziła za niemożliwą do wykrycia. Przewidziana po raz pierwszy w roku tysiąc dziewięćset pięćdziesiątym szóstym przez Davida Pinesa, nazwana przez niego kolokwialnie cząstką demona, to bezmasowa, neutralna cząstka, która nie oddziałuje ze światłem.
Właściwości metali i innych ciał stałych są w dużej mierze determinowane przez zachowanie elektronów w ich wnętrzu. Zjawiska takie jak magnetyzm, przezroczystość, przewodnictwo cieplne, a nawet nadprzewodnictwo – wszystko to wynika z ruchu elektronów i ich wzajemnych oddziaływań.
Zazwyczaj elektrony mają masę i ładunek elektryczny. Ale amerykański teoretyk David Pines przewidział, że w ciałach stałych elektrony mogą działać w niecodzienny sposób: mogą łączyć się w skomplikowaną cząstkę, która jest bezmasowa, neutralna i nie oddziałuje ze światłem. Nazwał tę potencjalną cząstkę „demonem”. Wielu fizyków podejrzewało, że może być ona istotna dla zachowania wielu metali. Jednak trudno jest wykryć coś, co pozbawione jest zarówno ładunku, jak i masy, dlatego demon unikał badaczy przez wiele dziesięcioleci.
Dopiero teraz, sześćdziesiąt siedem lat po przewidywaniach Pinesa, zespół naukowców pod kierownictwem Petera Abbamonte, profesora fizyki z Uniwersytetu Illinois w Urbanie i Champaign zdołał schwytać ulotną cząstkę podczas badania właściwości metalicznego rutenianu strontu (Sr2RuO4). Jak stwierdził główny autor badania, teoretyczne istnienie takich cząstek przewidywano od dawna, jednak nigdy nie były one badane przez eksperymentatorów i tak naprawdę to nikt nawet szczególnie nie skupiał się na tym, aby je znaleźć.
Jednym z kluczowych odkryć w dziedzinie skondensowanej materii jest to, że elektrony wydają się tracić swoje indywidualne właściwości w ciałach stałych. Gdy znajdują się pod wpływem oddziaływań elektrycznych łączą się w jednostki zbiorowe. Przy odpowiednio dużej energii elektrony tworzą skomplikowane cząstki, tak zwane plazmony, zawierające nowy ładunek i określoną masę. Ta najczęściej, jest jednak na tyle duża, że nie mogą powstawać w temperaturze pokojowej.
Pines znalazł wyjątek od tej reguły: jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym, a taka sytuacja nie jest czymś wyjątkowym i ma miejsce w wielu metalach, odpowiednie plazmony mogą się łączyć w układzie poza fazowym, skutkuje to powstaniem nowego plazmonu, który jest bezmasowy i neutralny – to jest właśnie nasza tytułowa cząstka demon. Ponieważ demony są bezmasowe, mogą powstawać z dowolną energią, a zatem istnieć w dowolnej temperaturze. To prowadziło do domysłów, że mogą mieć bardzo istotny wpływ na zachowanie różnych metali.
Najnowsze filmy
Z kolei ze względu na swoją elektryczną neutralność cząstka demon, nie pozostawia najmniejszego śladu w standardowych eksperymentach ze skondensowaną materią. Jak podkreślił główny autor badań, niestety w większości eksperymentów jakie są przeprowadzane wykorzystuje się światło i mierzy właściwości optyczne, jednak elektryczna neutralność oznacza, że cząstka demon z tym światłem nie oddziałuje. Naukowcy potrzebowali więc innego podejścia. Abbamonte wraz z zespołem rozpoczęli badania rutenianu strontu, ze względu na jego wyjątkowe właściwości dzięki, którym jest podobny do nadprzewodnika działającego w wysokiej temperaturze, chociaż tak naprawdę wcale nie jest nadprzewodnikiem.
Najwyższej jakości próbki rutenianu strontu wytrzowone zostały przez zespół badawczy pod kierownictwem Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, następnie zostały one przebadane przez Abbamonte i jego byłego doktoranta Aliego Husijna za pomocą techniki spektroskopii strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Jest to specyficzna metoda wykorzystująca energię elektronów do prowadzenia bezpośrednich obserwacji właściwości danego metalu, pozwala również na obserwowanie powstawania plazmonów. Analizując te dane, naukowcy zauważyli coś czego nie spodziewali się znaleźć, cząstkę bez masy.
Jak przyznał sam główny autor, na samym początku badacze nie mieli w ogóle pojęcia z czym mają do czynienia i dopiero, gdy zaczęli po kolei wykluczać wszystkie możliwe rozwiązania, okazało się jedynym możliwym wyjaśnieniem jest to, że znaleźli cząstkę, która pozostawała nieuchwytna od niemal siedemdziesięciu lat, od czasu gdy Pines zaproponował jej istnienie.
I chociaż część środowiska naukowego jest nadal dość sceptyczna wobec tego odkrycia, to Abbamonte jest pewien, że inne zespoły badawcze będą w stanie powtórzyć jego eksperyment i potwierdzić, że to co zaobserwowali to rzeczywiście bezmasowa cząstka demon.
Potwierdzenie jej istnienia może otworzyć całkowicie nowe horyzonty w dziedzinie fizyki ciała stałego i innych dziedzinach nauki i technologii. Zaskakujący jest już sam fakt, że nadal istnieją jeszcze nieznane elementy składowe materii, które mogą prowadzić do zupełnie nowych zjawisk czy zastosowań technologicznych. Cząstki demon mogą wpływać na przewodnictwo oraz inne właściwości metali, które są szeroko stosowane w różnego rodzaju technologii czy przemyśle.
Abbamonte studzi jednak nieco nastroje i zaznacza, że odkrycie takiej cząstki to dopiero pierwszy mały krok na drodze do zrozumienia w jaki sposób wpływają one na właściwości metali i jak można będzie wykorzystać te informacje do opracowywania nowych materiałów.
Przyszłe badania będą prawdopodobnie skupiały się na analizie wpływu cząstki demon na inne właściwości metali, takie jak magnetyzm, oraz na poszukiwaniu ich w innych metalach poza rutenianem strontu.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!A jaki może mieć to wpływ na technologię i przyszłe zastosowania?
Odkrycie bezmasowej i elektrycznie neutralnej cząstki może na różne sposoby zrewolucjonizować naszą przyszłość. Choć jest jeszcze zbyt wcześnie, aby dokładnie określić, jakie będą jej potencjalne zastosowania, istnieje kilka możliwości. Dla przykładu, mogą zostać wykorzystane w przyszłych technologiach komputerowych, a ich unikalne właściwości mogą prowadzić do stworzenia ultralekkich i wysoce wydajnych komponentów.
Ponadto, mogą też znacząco wpłynąć na dziedzinę nanotechnologii, zdolność cząstki demon do istnienia w dowolnej temperaturze może pomóc w przewodzeniu prądu przez nanomateriały. Istnieją również potencjalne zastosowania w technologii kwantowej czy nadprzewodnictwie. Jednak póki co, wszystko to są jedynie gdybania i przypuszczenia, na pewno będziemy informować was na bieżąco jeśli pojawią się w tym temacie jakieś kolejne przełomowe odkrycia.
