Vor einigen Jahren beschlossen die Forscher, ein supraleitendes Metall namens Strontiumruthenat ins Visier zu nehmen. Seine Struktur ähnelt der von a geheimnisvolle Klasse von kupferbasierten „Cuprat“-Supraleitern, kann aber auf makellosere Weise hergestellt werden. Während das Team die Geheimnisse der Cuprate nicht erfuhr, reagierte das Material auf eine Weise, die Ali Husain, der die Technik im Rahmen seiner Doktorarbeit verfeinert hatte, nicht verstand.
Husain fand heraus, dass abprallende Elektronen ihrer Energie und ihres Impulses beraubt wurden, was darauf hindeutete, dass sie energieraubende Wellen im Strontiumruthenat auslösten. Aber die Wellen übertrafen seine Erwartungen: Sie bewegten sich 100-mal zu schnell, um Schallwellen zu sein (die durch Atomkerne kräuseln), und 1.000-mal zu langsam, um Ladungswellen zu sein, die sich über die flache Oberfläche des Metalls ausbreiten. Außerdem hatten sie einen extrem niedrigen Energiegehalt.
„Ich dachte, es müsste ein Artefakt sein“, sagte Husain. Also legte er andere Proben ein, probierte andere Spannungen aus und ließ die Messungen sogar von verschiedenen Personen durchführen.
Ali Husain entwickelte eine Methode zur präzisen Messung der Energien und Wege abprallender Elektronen; Diese Beobachtungen enthüllten Dämonenmodi in Strontiumruthenat.Foto: Matteo Mitrano
Die nicht identifizierten Vibrationen blieben bestehen. Nach der Berechnung erkannte die Gruppe, dass die Energien und Impulse der Wellen eng mit Pines‘ Theorie übereinstimmen. Die Gruppe wusste, dass sich Elektronen in Strontiumruthenat über einen von drei unterschiedlichen Kanälen von Atom zu Atom bewegen. Das Team kam zu dem Schluss, dass sich die Elektronen in zwei dieser Kanäle synchronisierten, um ihre Bewegung gegenseitig zu neutralisieren, und in Pines‘ ursprünglicher Analyse die Rolle der „schweren“ und „leichten“ Elektronen spielten. Sie hatten ein Metall gefunden, das Pines‘ Dämon beherbergen konnte.
„In Strontiumruthenat ist es stabil“, sagte Abbamonte. „Es ist immer da.“
Die Wellen stimmen nicht perfekt mit den Berechnungen von Pines überein. Und Abbamonte und seine Kollegen können nicht garantieren, dass sie nicht eine andere, kompliziertere Schwingung sehen. Aber insgesamt, sagen andere Forscher, vertritt die Gruppe starke Argumente dafür, dass Pines‘ Dämon gefangen wurde.
„Sie haben nach Treu und Glauben alle möglichen Kontrollen durchgeführt“, sagte er Sankar Das Sarmaein Theoretiker der kondensierten Materie an der University of Maryland, der dies getan hat Pionierarbeit über Dämonenschwingungen.
Entfesselte Dämonen
Da Forscher nun vermuten, dass der Dämon in echten Metallen existiert, fragen sich einige, ob die bewegungslosen Bewegungen irgendwelche Auswirkungen auf die reale Welt haben. „Sie sollten nicht selten sein, und sie könnten Dinge bewirken“, sagte Abbamonte.
Beispielsweise verbinden Schallwellen, die durch Metallgitter kräuseln, Elektronen auf eine Weise, die zu Supraleitung führt, und 1981 schlug eine Gruppe von Physikern dies vor Dämonenvibrationen könnte auf ähnliche Weise Supraleitung herbeizaubern. Abbamontes Gruppe entschied sich ursprünglich für Strontiumruthenat wegen seiner unorthodoxen Supraleitung. Vielleicht könnte der Dämon beteiligt sein.
„Ob der Dämon eine Rolle spielt oder nicht, ist derzeit unbekannt“, sagte Kogar, „aber es ist ein weiterer Teil des Spiels.“ (Physiker betrachten Wellen mit bestimmten Eigenschaften oft als Teilchen.)
Die wichtigste Neuerung der Forschung liegt jedoch in der Entdeckung des seit langem erwarteten metallischen Effekts. Für Theoretiker der kondensierten Materie ist der Befund ein befriedigender Abschluss einer 70 Jahre alten Geschichte.
„Es ist ein interessanter Nachtrag zur frühen Geschichte des Elektronengases“, sagte Coleman.
Und für Husain, der sein Studium 2020 abgeschlossen hat und jetzt bei der Firma Quantinuum arbeitet, deuten die Untersuchungen darauf hin, dass Metalle und andere Materialien von seltsamen Schwingungen wimmeln, für deren Verständnis den Physikern die Instrumente fehlen.
„Sie sitzen einfach da“, sagte er, „und warten darauf, entdeckt zu werden.“
Originelle Geschichte Nachdruck mit Genehmigung von Quanta-Magazin, eine redaktionell unabhängige Veröffentlichung der Simons-Stiftung Deren Aufgabe ist es, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie Forschungsentwicklungen und -trends in der Mathematik sowie den Physik- und Biowissenschaften abdeckt.