W normalnych warunkach elektrony mają masę i ładunek elektryczny. Jednak w roku 1956 amerykański fizyk teoretyczny David Pines przewidział, że elektrony w ciele stałym mogą zachowywać się w dziwny sposób: łączyć się w złożoną cząstkę, która jest pozbawiona masy, neutralna i nie oddziałuje ze światłem. Tę potencjalną cząstkę nazwał „demonem".
Wielu fizyków przypuszczało, że „demon” może odgrywać istotną rolę w zachowaniu wielu metali. Trudno jednak wykryć coś, co pozbawione jest zarówno ładunku, jak i masy, toteż demon wymykał się badaczom przez długie dziesięciolecia.
Dopiero teraz, 67 lat od przewidywań Pinesa, zespołowi naukowców kierowanemu przez Petera Abbamonte, profesora fizyki na University of Illinois Urbana-Champaign (USA), udało się schwytać ulotnego demona - przy badaniu właściwości metalicznego rutenianu strontu (Sr2RuO4).
"Istnienie 'demonów' teoretycznie przewidywano od dawna, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali - powiedział Abbamonte. - W rzeczywistości nawet ich nie szukaliśmy. Ale okazało się, że postępujemy właściwie i znaleźliśmy je”.
Jednym z najważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Pod wpływem elektrycznych odziaływań łączą się w jednostki zbiorowe. Przy wystarczającej energii elektrony mogą nawet tworzyć złożone cząstki, zwane plazmonami, o nowym ładunku i określonej masie, poprzez podstawowe interakcje elektryczne. Jednak masa plazmonów jest zwykle tak duża, że nie mogą one powstawać przy energiach dostępnych w temperaturze pokojowej.
Pinesowi udało się znaleźć wyjątek od reguły: jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym (co ma miejsce w wielu metalach), ich odpowiednie plazmony mogą łączyć się w układzie pozafazowym, tworząc nowy plazmon, który jest bezmasowy i neutralny (demon). Ponieważ demony są bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią, a zatem istnieć w każdej temperaturze. Doprowadziło to do spekulacji, że mają istotny wpływ na zachowanie metali wielopasmowych.
Ze względu na elektryczną neutralność demonów nie pozostawiają one śladu w standardowych eksperymentach ze skondensowaną materią. „Ogromna większość eksperymentów jest wykonywana ze światłem i mierzy właściwości optyczne, ale bycie elektrycznie obojętnym oznacza, że demony nie wchodzą w interakcje ze światłem – powiedział Abbamonte. - Potrzebny był zupełnie inny rodzaj eksperymentu”.
Abbamonte i jego współpracownicy badali rutenian strontu z zupełnie innego powodu – jest podobny do nadprzewodników wysokotemperaturowych, ale nie jest takim nadprzewodnikiem. Chcąc wyjaśnić fenomen nadprzewodnictwa w innych materiałach, jako pierwsi zbadali elektronowe właściwości tego metalu.
Grupa badawcza Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zsyntetyzowała wysokiej jakości próbki rutenianu strontu, które Abbamonte i jego były doktorant Ali Husain zbadali za pomocą techniki spektroskopii strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Ta niestandardowa metoda wykorzystuje energię elektronów wstrzeliwanych do metalu - do bezpośredniej obserwacji właściwości tegoż metalu, w tym także powstawania plazmonów. Analizując dane, naukowcy natknęli się na coś niezwykłego: cząstkę pozbawioną masy.
"Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest. Demony nie są mainstreamowe. Początkowo się z tego śmialiśmy, ale wykluczając inne wytłumaczenia zaczęliśmy podejrzewać, że naprawdę znaleźliśmy demona” – wspomina Husain, obecnie naukowiec w Quantinuum.
Według Abbamonte to nie przypadek, że jego grupa odkryła demona. Podkreślił, że stosowali technikę, która nie jest powszechnie używana w przypadku substancji, jaka nie została dobrze zbadana. Wierzy, że odkrycie czegoś nieoczekiwanego i ważnego to po prostu konsekwencja spróbowania „czegoś innego”. "To mówi o znaczeniu pomiarów - uznał. - Większość wielkich odkryć nie jest planowana".
