Bizarres „Dämonen“-Partikel im Inneren eines Supraleiters könnte helfen, den „heiligen Gral“ der Physik zu entschlüsseln
Fast 70 Jahre nach seiner ersten Vorhersage wurde ein schwer fassbares „Dämonen“-Teilchen im Inneren eines Supraleiters beobachtet. Seine Entdeckung könnte dazu beitragen, das Rätsel um die Funktionsweise von Supraleitern zu lösen.
Der Dämon von Pines ist ein transparentes, ladungsloses Teilchen, das in einer Probe des Supraleiters Strontiumruthenat entdeckt wurde. Es handelt sich um ein Plasmon – eine Welle zwischen den Elektronen eines Plasmas, die sich ähnlich wie ein Teilchen verhält – was bedeutet, dass es sich um ein Quasiteilchen handelt.
Theoretiker glauben, dass Plasmonen die Supraleitung in Materialien fördern könnten. Wenn Physiker herausfinden könnten, wie das geht, könnten sie Pines‘ Dämon nutzen, um Licht auf Raumtemperatur-Supraleiter zu werfen – einen der „heiligen Gral“ der Physik, der eine nahezu verlustfreie Übertragung von Elektrizität ermöglichen würde. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 9. August in der Zeitschrift Natur.
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„Dämonen wurden theoretisch schon lange vermutet, aber Experimentatoren haben sie nie untersucht.“ Peter Abbamonteein Physikprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign, sagte in einer Erklärung. „Tatsächlich haben wir nicht einmal danach gesucht. Aber es stellte sich heraus, dass wir genau das Richtige taten, und wir haben es gefunden.“
David Pines stellte sich seinen Dämon erstmals 1956 vor und sagte voraus, dass er im Inneren bestimmter Metalle auftauchen würde, wenn zwei Elektronensätze in unterschiedlichen Energiebändern zwei Plasmonen bilden. Wenn diese Plasmonen phasenverschoben wären und die Spitzen des einen mit den Tälern des anderen übereinstimmen, könnten sie sich teilweise aufheben.
Normalerweise sind sehr spezifische Temperaturen erforderlich, um ein Plasmon in einem gesamten Material zu bilden, aber Pines argumentierte, dass sein neues kombiniertes Plasmon, das masselos und neutral ist und seine Komponenten aus einem Energiemix bezieht, bei Raumtemperatur existieren könnte. Er nannte sein theoretisches Teilchen, das eine „ausgeprägte Elektronenbewegung“ hat, einen Dämon. Aber sein Mangel an Masse und Ladung macht es schwierig, ihn zu finden.
Um den Dämon zu jagen, feuerten die Physiker hinter der neuen Studie Elektronen auf kristallisiertes Strontiumruthenat und maßen deren Energie, während die Elektronen zurückprallten. Daraus berechneten sie den Impuls der Plasmawelle im Inneren des Materials.
Das im Strontiumruthenat lauernde Quasiteilchen, das sie entdeckten, stimmte mit den Vorhersagen für einen elektronischen Modus ohne Masse überein. Folgeexperimente wiederholten die ursprüngliche Entdeckung der Forscher – sie hatten Pines‘ Dämon gefunden.
„Zuerst hatten wir keine Ahnung, was es war. Dämonen sind nicht im Mainstream. Die Möglichkeit kam schon früh auf und wir haben im Grunde darüber gelacht.“ Ali Husain, jetzt Physiker beim Quantentechnologieunternehmen Quantinuum, sagte in der Erklärung. „Aber als wir anfingen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir den Dämon wirklich gefunden hatten.“
Weitere Studien zu anderen Metallen könnten grundlegende Erkenntnisse über die Funktionsweise von Supraleitern liefern, sagten die Studienautoren. Die Standardtheorie, BCS-Theorie genannt, legt nahe, dass Supraleitung entsteht, wenn Schallwellen im Quantenmaßstab – sogenannte Phononen – Elektronen zu Paaren, sogenannten Cooper-Paaren, hin- und herbewegen und so ihr Verhalten grundlegend in das einer Supraflüssigkeit ändern.
Es bleibt jedoch die Möglichkeit, dass Pines‘ Dämon auch daran beteiligt ist, Elektronen zusammenzustoßen, und das könnte genutzt werden, um bessere Supraleiter zu verstehen und zu bauen.