تم تأكيد تنبؤ فيزياء الجسيمات الغريب البالغ من العمر 67 عامًا أخيرًا

بعد مرور 67 عامًا على تنبؤ ديفيد باينز النظري، تم اكتشاف الجسيم “الشيطان” بعيد المنال، وهو كيان عديم الكتلة ومحايد في المواد الصلبة، في روثينات السترونتيوم، مما يسلط الضوء على قيمة مناهج البحث المبتكرة.

في عام 1956، تنبأ عالم الفيزياء النظرية ديفيد باينز بأن الإلكترونات الموجودة في المادة الصلبة يمكن أن تفعل شيئًا غريبًا. على الرغم من أن الإلكترونات بشكل عام لها كتلة وشحنة كهربائية، إلا أن باينز ادعى أنها يمكن أن تتحد لتكوين جسيم مركب عديم الكتلة ومحايد ولا يتفاعل مع الضوء. أطلق على هذا الجسيم النظري اسم “الشيطان”. منذ ذلك الحين، تم الافتراض بأنه يلعب دورًا مهمًا في سلوك مجموعة واسعة من المعادن. ولسوء الحظ، فإن نفس الخصائص التي تجعله مثيرًا للاهتمام قد سمحت له بتجنب اكتشافه منذ توقعه.

بعد 67 عامًا، عثر فريق بحث بقيادة بيتر أبامونتي، أستاذ الفيزياء بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين (UIUC)، أخيرًا على شيطان باينز المراوغ. كما أفاد الباحثون في المجلة طبيعةلقد استخدموا تقنية تجريبية غير قياسية تعمل بشكل مباشر على إثارة الأنماط الإلكترونية للمادة، مما يسمح لهم برؤية توقيع الشيطان في روثينيت السترونتيوم المعدني.

وقال أبامونتي: “لقد تم تخمين الشياطين نظريًا لفترة طويلة، لكن المجربين لم يدرسوها أبدًا”. “في الواقع، لم نكن نبحث عنه حتى. ولكن اتضح أننا كنا نفعل الشيء الصحيح تمامًا، وقد وجدناه. »

الشيطان بعيد المنال

أحد أهم الاكتشافات في فيزياء المادة المكثفة هو أن الإلكترونات تفقد فرديتها في المواد الصلبة. تتسبب التفاعلات الكهربائية في اتحاد الإلكترونات لتكوين وحدات جماعية. ومع توفر طاقة كافية، يمكن للإلكترونات أن تشكل جسيمات مركبة تسمى البلازمونات ذات شحنة وكتلة جديدة تحددها التفاعلات الكهربائية الأساسية. ومع ذلك، فإن الكتلة عادة ما تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للبلازمونات أن تتشكل مع الطاقات المتوفرة في درجة حرارة الغرفة.

وجدت باينز استثناءً. إذا كانت المادة الصلبة تحتوي على إلكترونات في أكثر من نطاق طاقة واحد، كما هو الحال في العديد من المعادن، فقد جادل بأن البلازمونات الخاصة بها يمكن أن تتحد في نمط خارج الطور لتشكل بلازمونًا محايدًا جديدًا عديم الكتلة: شيطان. وبما أن الشياطين ليس لها كتلة، فإنها يمكن أن تتشكل بأي طاقة وبالتالي يمكن أن توجد في أي درجة حرارة. وقد أدى هذا إلى تكهنات حول تأثيرها المهم على سلوك المعادن متعددة النطاقات.

حياد الشياطين يعني أنهم لا يتركون أي توقيع في تجارب المادة المكثفة القياسية. وقال أبامونتي: “يتم إجراء الغالبية العظمى من التجارب باستخدام الضوء وقياس الخصائص البصرية، ولكن كونها محايدة كهربائيًا يعني أن الشياطين لا تتفاعل مع الضوء”. “كانت هناك حاجة إلى نوع مختلف تمامًا من الخبرة.”

اكتشاف غير متوقع

يتذكر أبامونتي أنه ومعاونوه كانوا يدرسون روثينيت السترونتيوم لسبب غير ذي صلة: فالمعدن يشبه الموصلات الفائقة عند درجة الحرارة العالية، دون أن يكون كذلك. وعلى أمل العثور على أدلة حول سبب حدوث هذه الظاهرة في الأنظمة الأخرى، أجروا أول دراسة للخصائص الإلكترونية للمعدن.

قام الفريق البحثي الذي يضم يوشي ماينو، أستاذ الفيزياء في جامعة كيوتو، بتجميع عينات عالية الجودة من المعدن الذي فحصه أبامونتي وطالب الدراسات العليا السابق علي حسين بواسطة التحليل الطيفي لفقدان الطاقة المتحلل بالإلكترون. وهي تقنية غير قياسية، تستخدم طاقة الإلكترونات المسقطة في المعدن لمراقبة خصائص المعدن بشكل مباشر، بما في ذلك البلازمونات التي تتشكل. أثناء فحص البيانات، اكتشف الباحثون شيئًا غير عادي: وضع إلكتروني عديم الكتلة.

يتذكر حسين، وهو الآن باحث في كوانتينوم: “في البداية، لم تكن لدينا أي فكرة عما كان عليه الأمر. الشياطين ليست جزءًا من التيار الرئيسي. لقد ظهر الاحتمال في وقت مبكر جدًا وضحكنا عليه بشكل أساسي. ولكن عندما بدأنا في استبعاد التكهنات، بدأنا نشك في أننا وجدنا الشيطان بالفعل.

طُلب من إدوين هوانغ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة UIUC ومنظر المادة المكثفة، حساب خصائص التركيب الإلكتروني لروثينات السترونتيوم. وقال: “تنبؤ بينس بالشياطين يتطلب شروطًا محددة إلى حد ما، ولم يكن من الواضح لأي شخص ما إذا كان يجب أن يكون لدى روثينيت السترونتيوم شيطان”. “كان علينا إجراء حساب مجهري لتوضيح ما يحدث. وعندما فعلنا ذلك، وجدنا جسيمًا يتكون من نطاقين من الإلكترونات تتأرجح خارج الطور بسعة متساوية تقريبًا، تمامًا كما وصفها باينز.

فرصة البحث

وبحسب أبامونتي، لم يكن من قبيل الصدفة أن تكتشف مجموعته الشيطان “بالصدفة”. وأشار إلى أنه ومجموعته كانوا يستخدمون أسلوبًا غير عادي في مادة لم تتم دراستها بعد. ووفقا له، فإن حقيقة أنهم وجدوا شيئا غير متوقع ومهم كان بسبب حقيقة بسيطة تتمثل في تجربة شيء مختلف، وليس مجرد الحظ.

وقال “إنه يتحدث عن أهمية قياس الأشياء فقط”. “معظم الاكتشافات العظيمة لم يتم التخطيط لها. اذهب وابحث عن مكان جديد وشاهد ما يوجد هناك.

المرجع: “تم ملاحظة شيطان باينز على شكل بلازمون صوتي ثلاثي الأبعاد في Sr₂RuO₄بواسطة علي حسين، إدوين دبليو هوانغ، ماتيو ميترانو، ميليندا س. راك، سامانثا آي. روبيك، زيوفي غو، هونغبين يانغ، تشانشال سو، يوشيتيرو ماينو، برونو أوتشوا، تاي سي تشيانغ، فيليب إي باتسون، فيليب دبليو فيليبس وبيتر أبامونتي، 9 أغسطس 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06318-8

أبامونتي هو عضو في مختبر أبحاث المواد UIUC. هوانغ هو عضو في معهد نظرية المادة المكثفة في UIUC.

ساهم في هذا العمل الأساتذة فيليب فيليبس من UIUC، وماتيو ميترانو من جامعة هارفارد، وبرونو أوتشوا من جامعة أوكلاهوما، وفيليب باستون من جامعة روتجرز.

وقد تم تقديم الدعم من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، والجمعية اليابانية لتقدم العلوم، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومؤسسة جوردون وبيتي مور.