Τι είναι το μυστήριο του «δαίμονα» - Γιατί για δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούσαν να το λύσουν

Το 1956 ο θεωρητικός φυσικός Ντέιβιντ Πάινς προέβλεψε πως τα ηλεκτρόνια σε ένα στερεό μπορούν να κάνουν κάτι περίεργο: Αν και κανονικά έχουν μάζα και ηλεκτρικό φορτίο, o Πάινς υποστήριξε πως μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ένα σωματίδιο που είναι χωρίς μάζα, είναι ουδέτερο και δεν αλληλεπιδρά με το φως. Χαρακτήρισε το σωματίδιο αυτό «δαίμονα» και έκτοτε έχουν υπάρξει εικασίες πως μπορεί να παίζει σημαντικό ρόλο στις συμπεριφορές ενός μεγάλου εύρους μετάλλων- ωστόσο οι ίδιες αυτές ιδιότητες που το καθιστούν ενδιαφέρουν κάνουν δύσκολο τον εντοπισμό του.

Ομάδα ερευνητών της οποίας ηγήθηκε ο Πίτερ Αμπαμόντε, καθηγητής Φυσικής στο University of Illinois Urbana-Champaign κατάφερε να εντοπίσει τον «δαίμονα» του Πάινς 67 χρόνια μετά την εκτίμηση περί της ύπαρξής του. Όπως σημειώνουν οι ερευνητές στο Nature, χρησιμοποίησαν μια πειραματική τεχνική η οποία διεγείρει απευθείας τις ηλεκτρονικές καταστάσεις ενός υλικού, επιτρέποντάς τους να δουν την «υπογραφή» του «δαίμονα» στο ρουθενικό στρόντιο.

Μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στον εν λόγω κλάδο είναι πως τα ηλεκτρόνια χάνουν τη μοναδικότητά τους στα στερεά. Οι ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις τα κάνουν να συνδυάζονται, συνθέτοντας συλλογικές μονάδες. Με επαρκή ενέργεια, τα ηλεκτρόνια μπορούν να σχηματίζουν ακόμα και σύνθετα σωματίδια, τα πλασμόνια, με νέο φορτίο και μάζα που καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις αυτές. Ωστόσο η μάζα είναι συνήθως τέτοια που τα πλασμόνια δεν μπορούν να σχηματιστούν με τις ενέργειες που είναι διαθέσιμες σε θερμοκρασία δωματίου.

Ο Πάινς ανακάλυψε ότι υπάρχει μια εξαίρεση στον κανόνα αυτό. Αν ένα στερεό έχει ηλεκτρόνια σε πάνω από μία ενεργειακές μπάντες, όπως συμβαίνει σε πολλά μέταλλα, υποστήριξε, τα πλασμόνιά τους μπορούν να συνδυάζονται και να σχηματίζουν ένα νέο πλασμόνιο που δεν έχει μάζα και είναι ουδέτερο: Πρόκειται για τον προαναφερθέντα «δαίμονα». Οι «δαίμονες» αυτοί δεν έχουν μάζα, μπορούν να σχηματιστούν με οποιαδήποτε ενέργεια, οπότε μπορεί να υπάρχουν σε όλες τις θερμοκρασίες- και αυτό οδήγησε σε εικασίες πως έχουν σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά διαφόρων μετάλλων.

Η ουδετερότητα του «δαίμονα» σημαίνει πως δεν αφήνει υπογραφή σε συμβατικά πειράματα συμπυκνωμένης ύλης. «Η συντριπτική πλειονότητα των πειραμάτων γίνονται με φως και μετρούν οπτικές ιδιότητες, μα η ηλεκτρική ουδετερότητα σημαίνει πως οι “δαίμονες” δεν αλληλεπιδρούν με το φως» είπε ο Αμπαμόντε, προσθέτοντας ότι χρειαζόταν ένα άλλου είδους πείραμα.

Ο ίδιος και οι συνεργάτες μελετούσαν το ρουθενικό στρόντιο για άλλο λόγο: Το μέταλλο είναι παρόμοιο με υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών, χωρίς ταυτόχρονα να είναι. Σε αυτό το πλαίσιο έκαναν την πρώτη έρευνα/ καταγραφή των ηλεκτρονικών του ιδιοτήτων. Η ερευνητική ομάδα του Γιόσι Μαένο, καθηγητή Φυσικής στο Kyoto University, συνέθεσε δείγματα υψηλής ποιότητας του μετάλλου που ο Αμπαμόντε και ο πρώην τελειόφοιτος Αλί Χουσεΐν, εξέτασαν με μια ειδική τεχνική (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy) η οποία χρησιμοποιεί την ενέργεια από ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται στο μέταλλο για την απευθείας παρατήρηση των χαρακτηριστικών του μετάλλου, περιλαμβανομένων πλασμονίων που σχηματίζονται. Καθώς οι ερευνητές εξέταζαν τα δεδομένα, βρήκαν μια ηλεκτρονική κατάσταση χωρίς μάζα.

Ο Χουσεΐν, πλέον ερευνητής στην Quantinuum, λέει πως «αρχικά δεν είχαμε ιδέα τι ήταν. Οι “δαίμονες” δεν είναι mainstream. Η πιθανότητα εμφανίστηκε νωρίς, και βασικά γελάσαμε με αυτήν. Μα καθώς απορρίπταμε ενδεχόμενα αρχίσαμε να υποπτευόμαστε πως βρήκαμε στα αλήθεια τον “δαίμονα”».

Πηγή: HuffPost Greece