Wissenschaftler entdecken das schwer fassbare „Dämonenteilchen“ fast 70 Jahre nach seiner ersten Vorhersage – und es könnte der „heilige Gral“ der Supraleiter sein
Wissenschaftler haben ein „Dämonenteilchen“ entdeckt, das zu Supraleitern führen könnte, die bei Raumtemperatur Strom leiten – der „heilige Gral“ der Physik.
Ein Supraleiter ist ein bestimmtes Metall oder eine Legierung, die Elektrizität ohne Widerstand leiten kann, aber die Temperatur muss mehr als 100 °F unter dem Gefrierpunkt liegen, um zu funktionieren.
Forscher der University of Illinois haben kürzlich im Metall Strontiumruthenat ein masseloses Teilchen identifiziert, das sich bei jeder Temperatur bilden kann – fast 70 Jahre nachdem „Dämonen“ erstmals vorhergesagt wurden.
Supraleiter werden in Betrieben wie schwebenden Zügen und hochpräzisen Magnetresonanztomographiegeräten (MRT) eingesetzt, aber Materialien, die bei Raumtemperatur funktionieren, würden den Weg für leistungsstärkere Computer ebnen.
Aktuelle Supraleiter müssen eine Temperatur von mehr als 100 °F unter dem Gefrierpunkt haben, um Strom ohne Widerstand zu leiten, und werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt
Supraleitung wurde vor mehr als 100 Jahren in Quecksilber entdeckt, das auf die Temperatur von flüssigem Helium bei minus 452 °F abgekühlt war.
Nach der Entdeckung der Supraleitung in Quecksilber wurde das Phänomen auch bei anderen Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet.
Zu den Materialien gehörten mehrere Metalle und eine Legierung aus Niob und Titan, die sich leicht zu Draht verarbeiten ließen
Das Dämonenteilchen wurde erstmals 1956 vom theoretischen Physiker David Pines vorhergesagt, der glaubte, dass Elektronen „seltsam“ reagieren würden, wenn sie durch einen Festkörper wandern.
Elektronen können in Festkörpern ihre Individualität verlieren, da sich die Elektronen durch elektrische Wechselwirkungen zu kollektiven Einheiten verbinden.
Mit genügend Energie können die Elektronen zusammengesetzte Teilchen, sogenannte Plasmonen, mit einer neuen Ladung und Masse bilden, die durch die zugrunde liegenden elektrischen Wechselwirkungen bestimmt wird.
Allerdings ist die Masse normalerweise so groß, dass sich Plasmonen mit den bei Raumtemperatur verfügbaren Energien nicht bilden können – Pines vermutete jedoch, dass es hier eine Ausnahme gab.
Der Physiker argumentierte, dass, wenn ein Festkörper Elektronen in mehr als einem Energieband aufweist, wie dies bei vielen Metallen der Fall ist, sich ihre jeweiligen Plasmonen in einem phasenverschobenen Muster verbinden und ein neues Plasmon bilden könnten, das masselos und neutral ist – einen Dämon.
Da Dämonen masselos sind, können sie sich mit jeder Energie bilden und bei allen Temperaturen existieren.
Allerdings ist das schwer fassbare Dämonenteilchen, das zufällig in einem bestimmten Metall entdeckt wurde, masselos, was bedeutet, dass es sich bei jeder Temperatur bilden kann. Abgebildet ist ein Modell des Dämonenpartikels
Dies hat zu Spekulationen geführt, dass sie wesentliche Auswirkungen auf das Verhalten von Multibandmetallen haben.
Die Entdeckung wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Peter Abbamonte, einem Physikprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign, gemacht, der Pines Vorhersage bei der Untersuchung des Metalls Strontiumruthenat identifizierte.
Das Experiment hatte nichts mit Supraleitern zu tun, aber das Metall ähnelt Hochtemperatur-Supraleitern, ohne einer zu sein.
Die Forscher führten die erste Untersuchung der elektronischen Eigenschaften des Metalls durch, indem sie es mit Elektronen beschossen, was den Dämon in die Merkmale des Metalls beschwor.
Abbamonte arbeitete an dem Projekt mit einem ehemaligen Doktoranden, Ali Husain, der sagte: „Zuerst hatten wir keine Ahnung, was es war.“
Dämonen sind nicht im Mainstream. Die Möglichkeit kam uns schon früh in den Sinn, und wir haben im Grunde darüber gelacht.
„Aber als wir anfingen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir den Dämon wirklich gefunden hatten.“
Edwin Huang, ein Moore-Postdoktorand an der UIUC und Theoretiker der kondensierten Materie, wurde schließlich gebeten, die Merkmale der elektronischen Struktur von Strontiumruthenat zu berechnen.
„Pines‘ Vorhersage von Dämonen erfordert ziemlich spezifische Bedingungen, und es war niemandem klar, ob Strontiumruthenat überhaupt einen Dämon haben sollte“, sagte Huang.
„Wir mussten eine mikroskopische Berechnung durchführen, um zu klären, was vor sich ging.“ Als wir dies taten, fanden wir ein Teilchen, das aus zwei Elektronenbändern bestand, die phasenverschoben mit nahezu gleicher Stärke oszillierten, genau wie Pines es beschrieben hat.“