Ilustrace experimentů s M-EELS spektroskopií. Kredit: Husain et al. (2023), Nature.

Americký teoretický fyzik David Pines už v roce 1956 předpověděl, že se elektrony v pevných materiálech za jistých okolností mohou chovat velmi divně. Elektrony, jak známo, mají obvykle hmotnost a energii. Pines ale tvrdil, že se mohou zkombinovat dohromady a vytvořit kvazičástici, která nemá hmotnost, je elektricky neutrální a zároveň neinteraguje se světlem. Pines o téhle bezbožné částici mluvil jako o démonovi. Tak vyvolal na svět „Pinesova démona,“ vzdáleného příbuzného Maxwellova démona.

Peter Abbamonte. Kredit: University of Illinois Urbana-Champaign.

Pines si myslel, že tento démon hraje významnou roli v chování rozmanitých kovů. Fyzici se snažili Pinesova démona chytit. Ukázalo se ale, že předpokládané pozoruhodné vlastnosti Pinesova démona zároveň velmi ztěžují jeho detekci. Pines prožil plodnou kariéru, plnou vědeckých cen, konferencí a založených institutů, ale polapení svého démona se již nedočkal. V roce 2018 zemřel, ve svých 93 letech.

Jistě by ho potěšilo, že nedávno, tedy po 67 letech, výzkumný tým, který vedl Peter Abbamonte z americké University of Illinois Urbana-Champaign, jeho démona konečně chytil. Jak vyplývá z publikace v prestižním Nature, bylo to náhodou. Došlo k tomu při nestandardním experimentu, který jim umožnil pozorovat řádění Pinesova démona v kovovém ruthenanu stroncia Sr₂RuO₄ (distrontium ruthenate).

Fyzika kondenzovaného stavu už dávno zjistila, že elektrony v pevných materiálech přicházejí o svou individualitu. S dostatkem energie mohou vytvářet kvazičástice zvané plazmony, které mají jinou hmotnost a náboj. Plazmony ale vzhledem ke své hmotnosti obvykle nevznikají při podmínkách daných pokojovou teplotou.

Logo. Kredit: University of Illinois Urbana-Champaign.

Pines vystopoval výjimku. Zjistil, že když jsou v kovu elektrony s různými energetickými hladinami, což často jsou, mohou vytvořit nový typ plazmonu, co nemá hmotnost a je elektricky neutrální. Pinesova démona. Tento démon nepotřebuje ke vzniku žádnou dodatečnou energii a mohl by tedy existovat prakticky při všech teplotách, co nejsou v rozporu s existencí kovu.

Problém je, že standardní experimenty fyziky kondenzovaného stavu využívají záření a měří optické vlastnosti. Jenomže Pinesův démon je elektricky neutrální a se světlem neinteraguje. Abbamonte a spol. šťastnou souhrou okolností studovali ruthenan stroncia, vlastně z úplně jiného důvodu. Kvůli výzkumu supravodivosti.

Používali nestandardní spektroskopii ztrát energie elektronů (M-EELS, Momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy), která využívá energii elektronů vstřelovaných do kovu k přímému pozorování dění v kovu, včetně tvorby plazmonů. Najednou narazili na plazmon, co neměl hmotnost. Pinesův démon byl konečně polapen. Nejdřív tomu nevěřili, pak se smáli a nakonec zjistili, že vstoupí do učebnic. Jak k tomu lakonicky dodává Abbamonte, velké objevy se nedají naplánovat.

Video: Saturday Physics for Everyone 2015: Peter Abbamonte

Literatura

Phys.org 9. 8. 2023.

Nature online 9. 8. 2023.