Un gruppo di ricercatori ha osservato il demone di Pines, un insieme di elettroni in un metallo che si comporta come un’onda priva di massa. Crediti: The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign
Una delle scoperte più importanti della fisica della materia condensata è che nei solidi gli elettroni perdono la loro individualità: le interazioni elettriche fanno sì che si combinino per formare unità collettive. Con sufficiente energia, possono persino formare quasiparticelle chiamate plasmoni con una nuova carica e una nuova massa determinate dalle interazioni elettriche sottostanti. Tuttavia, la massa è solitamente così grande che i plasmoni non possono formarsi con le energie disponibili a temperatura ambiente.
Nel 1956, il fisico teorico David Pines predisse che poteva esistere un’eccezione: se un solido ha elettroni in più di una banda di energia, come nel caso di molti metalli, i rispettivi plasmoni possono combinarsi per formare una quasiparticella priva di massa, neutra e che non interagisce con la luce. Definì questa quasiparticella un “demone”, oggi conosciuto come demone di Pines. Poiché i demoni non hanno massa, possono formarsi con qualsiasi energia ed esistere a tutte le temperature. Da allora, si è ipotizzato che questo demone svolga un ruolo importante nel comportamento di un’ampia varietà di metalli. Sfortunatamente, le stesse proprietà che lo rendono interessante gli hanno permesso di eludere il rilevamento sin dalla sua previsione.
Ora, un team di ricercatori guidato da Peter Abbamonte, professore di fisica presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, ha finalmente trovato il demone di Pines, sessantasette anni dopo che era stato predetto. Come riportato nello studio pubblicato sulla rivista Nature, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica sperimentale non standard che eccita direttamente i modi elettronici di un materiale, che ha permesso loro di vedere la firma del demone nel rutenato di stronzio.
«La stragrande maggioranza degli esperimenti viene eseguita con la luce e misura le proprietà ottiche, ma poiché i demoni sono elettricamente neutri, non interagiscono con la luce», spiega Abbamonte. «Era necessario un tipo di esperimento completamente diverso».
In realtà, Abbamonte stava studiando il rutenato di stronzio per una ragione diversa: il metallo è simile ai superconduttori ad alta temperatura, senza esserlo. Nella speranza di trovare indizi sul perché il fenomeno si verifica in altri sistemi, stavano conducendo la prima indagine sulle proprietà elettroniche del metallo.
Il team di Yoshi Maeno, professore di fisica all’Università di Kyoto, ha sintetizzato campioni di alta qualità del metallo che i ricercatori hanno esaminato con una tecnica chiamata momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy. Una tecnica non standard, che utilizza l’energia degli elettroni “sparati” nel metallo per osservare direttamente le caratteristiche del metallo stesso, compresi i plasmoni che si formano. Mentre i ricercatori analizzavano i dati, però, hanno trovato qualcosa di insolito: una modalità elettronica priva di massa.
Matteo Mitrano è Assistant Professor of Physics alla Harvard University. Specializzato nella fisica sperimentale della materia condensata, è interessato allo studio di proprietà fondamentali di sistemi a forte correlazione elettronica e al loro controllo tramite impulsi laser ai femtosecondi. Crediti: Stephanie Mitchell / Harvard University
«Quando abbiamo notato per la prima volta questo picco nei dati, siamo rimasti sorpresi perché non ci aspettavamo di vedere un modo elettronico nascosto tra le vibrazioni del reticolo cristallino», racconta a Media Inaf Matteo Mitrano, Assistant Professor of Physics presso la Harvard University. «Invece, l’osservazione di questo “demone” di Pines (da non confondersi con altri demoni della fisica, come quello di Maxwell) si è rivelata essere molto più interessante di quanto ci aspettassimo».
«Il demone di Pines, che prende il nome dalla presenza di distinti moti di carica (distinct electron motion), è un’oscillazione fuori fase di due bande elettroniche ed esiste in virtù della presenza di distinte bande nella superficie di Fermi nello Sr2RuO4», spiega Mitrano. «L’importanza di questo risultato risiede nel fatto di dimostrare l’esistenza di una nuova categoria di modi elettronici che dovrebbe essere presente, e osservabile in certe condizioni, in molti altri materiali con multiple bande al livello di Fermi».
Secondo Abbamonte, non è stato un caso che il suo gruppo abbia scoperto il demone di Pines, sottolineando il fatto che stavano utilizzando una tecnica non ampiamente utilizzata su una sostanza che non è stata ancora ben studiata. Il fatto che abbiano trovato qualcosa di inaspettato e significativo è una conseguenza dell’esplorare qualcosa di diverso, compiendo delle misure: «La maggior parte delle grandi scoperte non sono pianificate. Vai a cercare in un posto nuovo e vedi cosa c’è», conclude Abbamonte.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Pines’ demon observed as a 3D acoustic plasmon in Sr2RuO4” di Ali A. Husain, Edwin W. Huang, Matteo Mitrano, Melinda S. Rak, Samantha I. Rubeck, Xuefei Guo, Hongbin Yang, Chanchal Sow, Yoshiteru Maeno, Bruno Uchoa, Tai C. Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips e Peter Abbamonte
[Edit del 22.08.23, ore 12:50: sostituito il termine “particella” con “quasiparticella”]