Физики давно подозревали, что куски металла могут вибрировать особым образом, оставаясь практически невидимыми. Теперь физики обнаружили эти "демонические моды".

В 1956 году Дэвид Пайнс сформулировал фантом. Он предсказал существование морей, состоящих из электрических пульсаций, которые могут нейтрализовать друг друга, делая океан в целом неподвижным, несмотря на то, что отдельные волны то поднимаются, то опускаются. Странность, которую стали называть демоном Пайнса, будет электрически нейтральной и, следовательно, невидимой для света, то есть трудно обнаруживаемой. За десятилетия физикам удалось уловить проблески разновидностей демона. Но оригинальный демон Пайнса, который естественным образом возникал из электронов в металлических блоках, остался незамеченным. Теперь команда физиков из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, похоже, обнаружила демона Пайнса. После усовершенствования техники точного отслеживания электронов, рикошетирующих от материала, команда создала и обнаружила серию периодических волн, пульсирующих в роях электронов. Эти волны, которые физики называют "модами", в значительной степени соответствуют расчетам Пайнса. Исследователи подробно изложили свои выводы в журнале Nature в августе. "Эти моды не наблюдались в течение 70 лет, - говорит Пирс Коулман, физик-теоретик из Университета Ратгерса. Но новый эксперимент каким-то образом "улавливает эти демонические режимы".

Воображаемые демоны

В 1950-е годы был бум изучения электронов в металлах. Физики уже разработали упрощенную теорию, которая игнорировала склонность электронов отталкивать друг друга, рассматривая их как некий свободно текущий газ. В 1952 году Пайнс и его советник Дэвид Бом сделали еще один шаг вперед. Добавив к теории "электронного газа" взаимодействие электронов, они обнаружили, что электроны могут группироваться в одних местах и разлетаться в других. Эти сгруппированные электроны образуют аккуратные волны чередующейся большей и меньшей плотности (и, следовательно, области большего и меньшего электрического заряда).

Пайнс продвинул новую теорию еще дальше. Он представил себе материал, содержащий два газа, каждый из которых состоит из заряженных частиц разного типа. В частности, он представил себе металл с "тяжелыми" электронами и "легкими" электронами. (В теории все электроны одинаковы, но в реальном мире их измеряемые свойства зависят от окружающей среды). Пайнс обнаружил, что волны в первом газе могут нейтрализовать волны во втором; там, где тяжелые электроны сбиваются в кучу, легкие электроны истончаются. Затем, когда скопления тяжелых электронов рассеивались, легкие электроны собирались, чтобы заполнить более тонкие участки. Поскольку один газ сгущался именно там, где другой истончался, общая плотность электронов обоих типов вместе - а значит, общий заряд и электрическое поле - оставались нейтральными и неизменными. "Вещи могут двигаться, даже если кажется, что их нет", - говорит Аншул Когар, физик конденсированного состояния из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Свет отражается только от объектов с неравномерным распределением электрического заряда, поэтому нейтральность колебаний Пайнса делала его совершенно невидимым. Свет состоит из пакетов энергии, называемых фотонами, и Пайнс окрестил пакеты энергии своей волны "демонами". Это название - отсылка к демоническому мысленному эксперименту Джеймса Клерка Максвелла, физика-первопроходца, который, как сетует Пайнс, умер слишком рано, чтобы в его честь была названа частица или волна. "Я предлагаю в честь Максвелла и потому, что мы имеем дело со случаем отчетливого движения электрона (или D.E.M.), назвать эти новые возбуждения "демонами"", - написал Пайнс в 1956 году.

В течение десятилетий физики наблюдали демоноподобные волны в различных материалах. В 1982 году исследователи из Bell Labs обнаружили противоположные волны в соседних листах арсенида галлия. А в этом году группа под руководством Фенга Ванга из Калифорнийского университета в Беркли описала эксперимент, в котором были зафиксированы почти невидимые волны электронов, бьющиеся синхронно с чуть более тонкими волнами положительно заряженных частиц, похожих на объекты в листе графена.

Но такие наблюдения происходили в основном в двумерных системах, где определяющая демоническая особенность была менее яркой. Из-за причуды размерности в 2D можно запустить волну заряда с минимальными усилиями. Но в 3D для запуска волны требуется минимальное количество энергии, чтобы заставить асоциальные электроны собраться вместе. Электрически нейтральные демоны избавлены от этой платы за энергию в 3D. "Видеть демона в трехмерном теле - это нечто особенное", - говорит Когар, который вместе с группой из Урбаны-Шампейн проводил докторскую диссертацию.

Here Be Demons

Команда из Урбаны-Шампейн под руководством Питера Аббамонте никогда не охотилась на демонов. Демон Пайнса вошел прямо в их лабораторию.

В 2010 году группа Аббамонте начала разрабатывать методику обнаружения мелких дрожаний, пульсирующих в полчищах электронов. Они обсыпали материал электронами и точно регистрировали энергию, которую они несли, и путь, который они проходили, когда отскакивали обратно. По деталям этих рикошетов группа могла сделать вывод о том, как материал отреагировал на столкновение, что, в свою очередь, выявляло свойства волн, созданных столкновением. Это можно сравнить с определением того, чем наполнена ванна - водой, медом или льдом, если побросать в нее шарики для пинг-понга.

Несколько лет назад исследователи решили взять под прицел сверхпроводящий металл под названием рутенат стронция. Его структура похожа на структуру загадочного класса "купратных" сверхпроводников на основе меди, но он может быть изготовлен в более чистом виде. Хотя команде не удалось узнать секреты купратов, материал отреагировал так, что Али Хусайн, который совершенствовал методику в рамках своей докторской диссертации, не понял, как именно. Хусайн обнаружил, что рикошетирующие электроны лишаются энергии и импульса, что указывает на то, что они вызывают пульсации в рутенате стронция, лишающие энергии. Но волны опровергли его ожидания: Они двигались в 100 раз слишком быстро, чтобы быть звуковыми волнами (которые пульсируют в атомных ядрах), и в 1000 раз слишком медленно, чтобы быть зарядовыми волнами, распространяющимися по плоской поверхности металла. Кроме того, их энергия была крайне низкой.

"Я подумал, что это, должно быть, артефакт", - говорит Хусайн. Поэтому он поместил другие образцы, попробовал другие напряжения и даже попросил разных людей провести измерения.

Неопознанные колебания остались. Проведя математические расчеты, группа поняла, что энергия и момент пульсаций хорошо согласуются с теорией Пайнса. Группа знала, что в рутенате стронция электроны перемещаются от атома к атому по одному из трех различных каналов. Команда пришла к выводу, что в двух из этих каналов электроны синхронизируются, чтобы нейтрализовать движение друг друга, играя роли "тяжелых" и "легких" электронов в первоначальном анализе Пайнса. Они нашли металл, способный принять демона Пайнса. "Он стабилен в рутенате стронция, - говорит Аббамонте. "Он всегда там."

При этом пульсации не полностью совпадают с расчетами Пайнса. Аббамонте и его коллеги не могут гарантировать, что они не видят другую, более сложную вибрацию. Но в целом, по словам других исследователей, группа убедительно доказывает, что демон Пайнса пойман.

"Они провели все добросовестные проверки, которые только можно было сделать", - говорит Санкар Дас Сарма, теоретик конденсированного состояния вещества из Университета Мэриленда, который провел новаторскую работу по изучению демонических вибраций.

Demons Unleashed

Теперь, когда исследователи подозревают, что демон существует в настоящих металлах, некоторые не могут не задаваться вопросом, имеют ли неподвижные движения какие-либо реальные эффекты в мире. "Например, звуковые волны, проходящие через металлические решетки, связывают электроны таким образом, что это приводит к сверхпроводимости. В 1981 году группа физиков предположила, что вибрации демона могут вызывать сверхпроводимость аналогичным образом. Группа Аббамонте первоначально выбрала рутенат стронция за его необычную сверхпроводимость. Возможно, здесь замешан демон.

"Играет ли демон какую-то роль, сейчас неизвестно, - говорит Когар, - но это еще одна частица в игре". (Физики часто считают частицами волны с определенными свойствами.)

Но главная новизна исследования заключается в обнаружении давно ожидаемого металлического эффекта. Для теоретиков конденсированной материи эта находка - приятное завершение 70-летней истории.

"Это интересный постскриптум к ранней истории электронного газа", - говорит Коулман.

А для Хусайна, который получил степень в 2020 году и сейчас работает в компании Quantinuum, исследование говорит о том, что металлы и другие материалы кишат странными вибрациями, для понимания которых у физиков не хватает приборов.

"Они просто сидят там, - сказал он, - и ждут, когда их откроют".

Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в улучшении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.