Ερευνητές εντόπισαν κατά λάθος σωματίδιο - φάντασμα που προέβλεψε η θεωρία πριν από 67 χρόνια

Δεν είναι λίγες οι φορές που οι ερευνητές ανακαλύπτουν τυχαία διαφορετικά πράγματα από αυτά που περιμένουν στις μελέτες τους και είναι χαρακτηριστικό το παράδειγμα της ομάδας των University of Illinois Urbana-Champaign και Kyoto University που παρατήρησαν για πρώτη φορά στην ιστορία ένα σωματίδιο-φάντασμα που είχε προβλεφθεί από την θεωρία πριν από σχεδόν 70 χρόνια.

Η μελέτη των ερευνητών αφορούσε ένα υλικό (ρουθενικό στρόντιο - Sr₂RuO₄) που θα μπορούσε να ξεκλειδώσει τα μυστικά των υπεραγωγών, όμως αυτό που εντόπισαν ξεπέρασε τις προσδοκίες τους παρότι ήταν άσχετο με τον στόχο της έρευνας τους. Το συγκεκριμένο μέταλλο εξιτάρει την επιστημονική κοινότητα διότι εμφανίζει κάποιες ιδιότητες των υπεραγωγών όταν βρίσκονται σε υψηλή θερμοκρασία, αν και το ίδιο δεν χαρακτηρίζεται ως υπεραγωγός. Η ομάδα ευελπιστούσε ότι θα μπορούσε να βρει στοιχεία μελετώντας τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του βομβαρδίζοντας το με ηλεκτρόνια και κατά την διάρκεια του πειράματος εντόπισαν ένα πλασμόνιο χωρίς μάζα ή φορτίο.

Όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στη δομή στερεών υλικών αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν νέα σωματίδια με διαφορετικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι γνωστά ως οιονεί σωματίδια (quasiparticles). Μια μορφή quasiparticle ονομάζεται πλασμόνιο και συναντάται στις ταλαντώσεις του πλάσματος με διαφορετικό φορτίο και μάζα σε σχέση με τα ηλεκτρόνια που το συνθέτουν. Θεωρούνταν, ωστόσο, αδύνατο να παρατηρηθούν σε θερμοκρασία δωματίου διότι δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια για να σχηματιστούν.

Το 1956, ο θεωρητικός Φυσικός David Pines είχε προβλέψει μια εξαίρεση στον παραπάνω κανόνα όπου τα ηλεκτρονία από διαφορετικές ενεργειακές στάθμες μπορούν να συνενωθούν εκτός φάσης για να σχηματίσουν πλασμόνια που δεν διαθέτουν μάζα ή φορτίο. Η έλλειψη μάζας και φορτίου θα καθιστούσε τον σχηματισμό τους εφικτό σε οποιαδήποτε ενεργειακή στάθμη και θερμοκρασία, αλλά μέχρι σήμερα δεν είχαν παρατηρηθεί στην πραγματικότητα.

Σύμφωνα με τον Ali Husain, εκ των συγγραφέων της μελέτης,

Αρχικά δεν είχαμε την παραμικρή ιδέα τι μπορεί να ήταν αυτό. Δεν συναντάς τέτοια σωματίδια έτσι απλά και μάλιστα στο δικό μας πείραμα εμφανίστηκε αρκετά νωρίς, γι’ αυτό το αντιμετωπίσαμε χαλαρά. Όσο προχωρούσε, όμως, το πείραμα και βάζαμε τα ευρήματα σε μια σειρά, αρχίσαμε να υποπτευόμαστε πως μάλλον είχαμε εντοπίσει ήδη το σωματίδιο - φάντασμα.

Ο Edwin Huang, επίσης εκ των συγγραφέων της μελέτης, συμπλήρωσε:

Η πρόβλεψη του Pines προαπαιτεί συγκεκριμένες συνθήκες και δεν υπήρχε κάποια ξεκάθαρη ένδειξη ότι το ρουθενικό στρόντιο κρύβει ένα τέτοιο σωματίδιο. Έπρεπε να πραγματοποιήσουμε μικροσκοπικές μετρήσεις για να ξεκαθαρίσουμε τι συμβαίνει και μέσα από αυτές παρατηρήσαμε ότι το σωματίδιο αποτελείται από δύο συστάδες ηλεκτρονίων διαφορετικής ενεργειακής στάθμης που ταλαντώνονται εκτός φάσης, όπως είχε προβλέψει ο Pines.

Η ανακάλυψη του συγκεκριμένου πλασμονίου μοιάζει με ψύλλο στ’ άχυρα, όμως οι ερευνητές εικάζουν πως αυτά τα σωματίδια ίσως παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο για τις ηλεκτρονικές ιδιότητες πολλών μετάλλων.

[via]