"Dämon-Teilchen" versehentlich entdeckt und 67 Jahre altes Rätsel gelöst

Elektronen sind seltsame Teilchen. Wenn sie sich durch feste Stoffe bewegen, können ihre Wechselwirkungen miteinander kollektive Anregungen bilden, die wie völlig neue Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften wirken. Diese werden als Quasiteilchen bezeichnet.

Eine besondere Form von Quasiteilchen, die sogenannten Plasmonen, entsteht aufgrund von Plasmaoszillationen, und diese haben eine neue Ladung und Masse, die sich von den Elektronen unterscheiden, aus denen sie bestehen. Allerdings wurde angenommen, dass Plasmonen bei Raumtemperatur unmöglich sind, da die Energielevel nicht für die erforderlichen Massen ausreichen, um sie zu bilden.

Aber im Jahr 1956 sagte der theoretische Physiker David Pines eine Ausnahme von dieser Regel voraus - Elektronen in mehreren Energiebändern könnten sich in einem phasenverschobenen Muster zusammenlagern und ein Plasmon bilden, das weder Masse noch Ladung hat. Ohne jegliche Masse können sie bei beliebigen Energieleveln und somit bei beliebiger Temperatur entstehen. Dieses theoretische Teilchen wurde als "Pines' Teufel" bekannt und blieb seitdem der Entdeckung verborgen - zumindest bis jetzt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Illinois Urbana-Champaign und der Kyoto University haben nun die erste direkte Nachweis des Teufels in einem Metall namens Strontiumruthenat gemacht. Dabei stellte sich heraus, dass es entscheidend war, nicht einmal gezielt danach zu suchen.

"Die überwiegende Mehrheit der Experimente wird mit Licht durchgeführt und misst optische Eigenschaften, aber dadurch, dass Teufel elektrisch neutral sind, interagieren sie nicht mit Licht", sagte Peter Abbamonte, Hauptautor der Studie. "Es war eine völlig andere Art von Experiment erforderlich."

Strontiumruthenat ist ein faszinierendes Metall, das einige Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern aufweist, selbst aber keiner ist. Das Team hoffte, dass sie durch die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften des Materials mit einer Methode namens impulsaufgelöste Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie einige Hinweise auf dieses wertvolle Phänomen finden könnten. Dabei wird das Metall mit Elektronen beschossen, um seine Eigenschaften, einschließlich möglicher Quasiteilchen, zu beobachten. Dabei entdeckten die Forschenden ein rätselhaftes Plasmon ohne Masse.

"Anfangs hatten wir keine Ahnung, was es war", sagte Ali Husain, Mitautor der Studie. "Teufel sind nicht Mainstream. Die Möglichkeit wurde frühzeitig diskutiert, und wir haben es im Grunde abgetan. Aber als wir begannen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir tatsächlich den Teufel gefunden hatten."

Um den Verursacher zu identifizieren, erkundeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daraufhin die elektronische Struktur von Strontiumruthenat. Und tatsächlich kam der Teufel, der seit 67 Jahren verborgen geblieben war, endlich in den Fokus.

"Pines' Vorhersage von Dämonen erfordert recht spezifische Bedingungen, und es war niemandem klar, ob Strontiumruthenat überhaupt einen Teufel haben sollte", sagte Edwin Huang, Mitautor der Studie. "Wir mussten eine mikroskopische Berechnung durchführen, um zu klären, was vor sich ging. Bei dieser Berechnung fanden wir ein Teilchen, das aus zwei Elektronenbändern besteht, die phasenverschoben und annähernd mit gleicher Stärke oszillieren, genau wie von Pines beschrieben."

Das Team glaubt, dass Teufel eine Schlüsselrolle bei den elektronischen Verhalten einer Vielzahl von Metallen spielen können.