PROUČAVAJUĆI materijal koji bi mogao pomoći u otkrivanju tajni supravodiča, znanstvenici su slučajno otkrili "demonsku" česticu čije je postojanje prvi put teorijski predloženo još prije 67 godina, no nikada nije eksperimentalno potvrđeno.

To nije čestica u tradicionalnom fizikalnom smislu kao što su to proton ili elektron. To je "kompozitna" čestica, odnosno kvazičestica sastavljena od kombinacije više elektrona u krutom tijelu.

Korak prema svetom gralu supravodljivosti?

Znanstvenici se nadaju da bi novo otkriće moglo pomoći u potrazi za materijalima koji bi imali svojstvo supravodljivosti na sobnoj temperaturi, što je jedan od svetih gralova fizike i tehnologije.

Supravodljivost je svojstvo materijala da provodi električnu struju bez otpora. Uglavnom se može postići na vrlo niskim temperaturama blizu apsolutne nule (-273.15℃). No kako ne postoje poznati zakoni koji bi onemogućavali postojanje supravodljivosti na sobnim temperaturama, znanstvenici već desetljećima istražuju različite materijale poput legura metala koji bi bili supravodljivi na višim temperaturama, što bi bilo mnogo jeftinije i praktičnije za široku upotrebu.

Supravodiči se koriste u moćnim magnetima u različitim uređajima kao što su MRI ili detektori u LHC-u u CERN-u, u lebdećim vlakovima tzv. maglevima, u moćnim kvantnim računalima itd. Supravodljivost na sobnoj temperaturi također bi omogućila prijenos električne energije bez gubitaka.

Veza "demona" i supravodljivosti

Emil Tafra s PMF-a u Zagrebu kaže da postoji mogućnost da bi "demoni" mogli biti važni za supravodljivost.

"Da bi materijal mogao biti u supravodljivom stanju, elektroni moraju biti vezani u tzv. Cooperovim parovima", kaže Tafra.

Cooperovi parovi elektrona su kvantnomehanički fenomen koji se javlja u supravodičima. Kada se materijal ohladi ispod određene kritične temperature, elektroni u njemu formiraju parove poznate kao Cooperovi parovi. Ovi parovi ponašaju se drugačije od pojedinačnih elektrona, što im omogućuje da slobodno prolaze kroz supravodič bez ikakvog otpora.

"No elektroni su čestice istoimenog naboja pa se odbijaju, što znači da je potreban neki posrednik koji bi ih povezao u Cooperove parove. U klasičnoj supravodljivosti to su titranja kristalne rešetke, odnosno fononi, ali za mnoge materijale, recimo za visokotemperaturne supravodiče, ne zna se što veže elektrone. Možda bi to mogle biti i neke vrste plazmona, kao što su demoni", dodaje Tafra.

Predviđanje demonske čestice

Godine 1956., teorijski fizičar David Pines predvidio je da bi elektroni u čvrstom tijelu mogli činiti nešto neuobičajeno.

Elektroni imaju i masu i naboj, no Pines je ustvrdio da bi njihove kombinacije u krutom tijelu mogle formirati kompozitnu česticu bez mase i bez naboja, koja ne bi stupala u interakciju sa svjetlom.

Zbog takvih svojstava nazvao ju je "demonskom". Naziv dolazi od skraćenice DEM = Distinctive Electron Motion, što u prijevodu znači "posebno gibanje elektrona", te od nastavka "ON", koji inače imaju subatomske čestice.

Od tada se nagađalo da demon igra važnu ulogu u ponašanju velikog broja metala. No, nažalost, ista svojstva koja ga čine zanimljivim omogućila su mu da izmiče otkrivanju. Donedavno.

U novom istraživanju, predstavljenom u časopisu Nature, tim istraživača predvođen Peterom Abbamonteom, profesorom fizike na Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign, konačno je pronašao Pinesovog demona

Čestica je pronađena slučajno

Autori ističu da su na česticu naišli slučajno koristeći nestandardnu eksperimentalnu tehniku koja izravno pobuđuje elektronička stanja materijala. To im je omogućilo da vide potpis čestice u metalu stroncijevom rutenatu (Sr₂RuO₄).

Abbamonte je rekao da se o česticama demonima teoretski nagađalo dugo vremena, ali da ih eksperimentatori nikad nisu pronašli.

"Zapravo, mi je nismo ni tražili. No pokazalo se da radimo upravo pravu stvar i pronašli smo je", dodao je.

Cijeli zoološki vrt čestica sa spektakularnim svojstvima

Fizičar Hrvoje Buljan s PMF-a u Zagrebu kaže da je jedno od najvažnijih otkrića kvantne fizike da čestice gube individualnost kada međudjeluju s drugim česticama.

"Na primjer, kada elektronsko pobuđenje u atomu ili nekom materijalu jako međudjeluje s fotonom, odnosno sa svjetlošću, ono formira hibridnu kvazičesticu koju zovemo polariton i koja ima svojstva i svjetlosti i elektrona", kaže Buljan.

"Postoji cijeli zoološki vrt takvih kvazičestica sa spektakularno neočekivanim svojstvima. Električna međudjelovanja mogu omogućiti elektronima da formiraju kompozitne kvazičestice tj. kolektivna pobuđenja u materijalima. Plazmoni su kolektivne oscilacije elektrona, preciznije, plazmon je kvant tih kolektivnih oscilacija. U 3D materijalima postoji konačna energija koju moramo uložiti kako bismo pobudili plazmone, koja je obično vrlo velika. Ti konvencionalni plazmoni imaju značajan utjecaj na svojstva materijala. Na primjer, vodiči, metali, izvrsno reflektiraju svjetlost frekvencija nižih od plazmonske frekvencije - vidimo svoj odraz u žlici, ali su transparentni na višim frekvencijama; obično se radi o transparentnosti u ultraljubičastom području", kaže Buljan.

Pines je pronašao iznimku

Ističe da je Pines pronašao iznimku u ovome.

"Elektroni se u materijalima nalaze u energetskim vrpcama. Zamislimo materijal koji opisujemo s dvije elektronske vrpce. Ukoliko su kolektivne oscilacije elektrona u jednoj vrpci u protufazi s oscilacijama elektrona u drugoj vrpci, a uz istu frekvenciju, ukupni naboj oscilacija će iščeznuti. Takav novi demonski plazmon moguće je pobuditi s jako malo energije, za razliku od konvencionalnih 3D plazmona. Rječnikom fizičara, ne postoji energetski procjep za pobudu demona. To je dovelo do nagađanja da bi oni mogli imati važne učinke na ponašanje metala s više energetskih vrpci", tumači Buljan.

Moguća veza demona i visokotemperaturne supravodljivosti

Fizičar Vito Despoja s Instituta za fiziku dodatno je pojasnio moguću vezu demona s visokotemperaturnom supravodljivosti.

"Ako metal ima samo jednu valentnu vrpcu, npr. aluminij, tada se elektroni u toj vrpci mogu udružiti u jedno pobuđeno stanje, jedno od mnogih, koje se zove plazmon. To je kolektivno, koherentno titranje puno elektrona, odnosno elektronske plazme određenom frekvencijom koja je jako visoka, primjerice u Aluminiju 15eV, pa se ne može pobuditi termički. No ako metal ima dvije valentne vrpce, kao što ima stroncijev rutenat iz studije, onda se formiraju dvije elektronske plazme, svaka u svojoj vrpci, koje međudjeluju i mogu titrati u fazi i u protufazi. One koje titraju u fazi su standardni plazmon, a one koje titraju u protufazi su demon i one imaju sićušne frekvencije usporedive s fononskim frekvencijama koje onda mogu mijenjati fonone. Zato se može desiti da se demon hibridizira, odnosno pomiješa s fononima i to onda može utjecati na kritičnu temperaturu supravodiča. Drugim riječima, moguće je da su baš ti demoni odgovorni za visokotemperaturnu supravodljivost", tumači Despoja.

Nestandardan eksperiment za nestandardnu česticu

Neutralnost demona znači da ne ostavljaju trag u standardnim eksperimentima u fizici kondenzirane tvari.

Abbamonte ističe da je zbog takvih svojstava za otkrivanje demona bio potreban nestandardan postupak.

"Velika većina eksperimenata provodi se sa svjetlom i mjeri optička svojstva, no činjenica da su električki neutralni znači da demoni ne stupaju u interakciju sa svjetlom", rekao je.

U novom eksperimentu svojstva stroncijeva rutenata proučavana su ispaljivanjem elektrona u njega, umjesto korištenjem svjetla.

U svojim podacima znanstvenici su pronašli neočekivan trag kakav bi mogli stvarati elektroni bez mase.

"Isprva nismo imali pojma što je to", rekao je prvi autor na studiji Ali Husain.

"Demoni nisu u mainstreamu. Mogućnost se pojavila rano u eksperimentu, no mi smo se na nju zapravo nasmijali. Ali kako smo počeli eliminirati čimbenike, počeli smo sumnjati da smo stvarno pronašli demona", dodao je.

Važno je mjeriti

Koautor na studiji dr. Edwin Huang istaknuo je da Pinesovo predviđanje demona zahtijeva prilično specifične uvjete te da nikome nije bilo jasno treba li stroncij rutenat uopće sadržavati česticu.

"Morali smo izvesti mikroskopski izračun kako bismo razjasnili što se događa. Kad smo to učinili, pronašli smo kompozitnu česticu koja se sastoji od dvije elektronske vrpce gdje elektroni osciliraju izvan faze s gotovo jednakom magnitudom, baš kao što je Pines opisao."

Abbamonte napominje da to govori koliko je u znanosti važno samo mjeriti stvari.

"Većina velikih otkrića nije planirana. Idi potraži negdje nešto novo i vidi što je tamo", poručio je.