L’étrange prédiction d’un physicien des particules de 67 ans enfin confirmée

Soixante-sept ans après les prédictions théoriques de David Baines, l’insaisissable particule du « diable », une entité sans masse et neutre au sein de la matière solide, a été découverte dans les ruthénates de strontium, soulignant la valeur des approches de recherche innovantes.

En 1956, le physicien théoricien David Baines prédit que les électrons présents dans les solides pourraient faire des choses étranges. Bien que les électrons aient généralement une masse et une charge électrique, Baines a affirmé que les électrons peuvent se combiner pour former des particules composées sans masse, neutres et n’interagissant pas avec la lumière. Il a appelé cette particule théorique « Satan ». Depuis lors, on a émis l’hypothèse qu’il jouait un rôle important dans le comportement de divers minéraux. Malheureusement, les mêmes caractéristiques qui la rendent si attirante l’ont empêchée d’être repérée puisqu’elle s’y attendait.

Après 67 ans, une équipe de recherche dirigée par Peter Abamonte, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC), a enfin découvert l’insaisissable Diable des Pins. Les chercheurs rapportent également dans la revue alamIls ont utilisé une technique expérimentale non standard qui stimulait directement les modèles électroniques de la matière, leur permettant de voir des signatures diaboliques dans le ruthénate de strontium minéral.

“Les diables ont fait l’objet de spéculations théoriques depuis longtemps, mais ils n’ont jamais été étudiés par les empiristes”, a déclaré Abamonte. “En fait, nous ne le recherchions pas. Mais il s’est avéré que nous faisions la bonne chose et nous l’avons trouvé.

Satan est insaisissable

L’une des découvertes les plus importantes de la physique de la matière condensée est que les électrons perdent leur individualité dans les solides. Les interactions électriques amènent les électrons à se combiner pour former une unité collective. Avec suffisamment d’énergie, les électrons peuvent former des particules complexes appelées plasmons avec de nouvelles charges et masses déterminées par des interactions électriques fondamentales. Cependant, leur masse est généralement trop grande pour être formée par des plasmons ayant de l’énergie disponible à température ambiante.

Baines a trouvé une exception. Si un solide contenait des électrons dans plus d’une bande d’énergie, comme c’est le cas pour de nombreux métaux, il a été avancé que ses plasmons pourraient se combiner selon un motif déphasé pour former un nouveau plasmon neutre, sans masse : satanique. Puisque les démons n’ont pas de masse, ils peuvent se former avec n’importe quelle énergie et peuvent donc vivre à n’importe quelle température. Cela a conduit à spéculer sur leur influence importante sur le comportement des minéraux multi-échelles.

La neutralité des démons signifiait qu’ils ne laissaient aucune trace dans les expériences standards sur la matière condensée. “La plupart des expériences ont été réalisées en utilisant la lumière et en mesurant les propriétés optiques, mais électriquement neutre signifie que les démons n’interagissent pas avec la lumière”, explique Abbamonte. “Un type d’expérimentation complètement différent est nécessaire.”

Une trouvaille inattendue

Abbamonte rappelle que lui et ses collaborateurs ont étudié la ruthénite de strontium pour une raison sans rapport : le métal est un supraconducteur à haute température sans pour autant être un supraconducteur. Dans l’espoir de trouver des indices sur la raison pour laquelle ce phénomène se produit dans d’autres systèmes, ils ont mené la première étude sur les propriétés électroniques des métaux.

Le groupe de recherche dirigé par Yoshi Maeno, professeur de physique à l’Université de Kyoto, a collecté des échantillons de métaux de haute qualité qu’Abamonte et l’ancien étudiant diplômé Ali Hussein ont examinés en utilisant la spectroscopie de perte d’énergie des électrons avec résolution en impulsion. Il s’agit d’une technique non standard qui utilise l’énergie des électrons libérés dans le métal pour observer directement les propriétés des minéraux, y compris les plasmons formés. Lorsque les chercheurs ont passé au crible les données, ils ont découvert quelque chose d’inhabituel : le mode sans masse de l’électron.

“Au début, nous ne savions pas ce que c’était”, se souvient Hussain, aujourd’hui chercheur scientifique à Quantinum. Satan n’a pas sa place dans le courant dominant. Cette possibilité s’est présentée dès le début et nous en avons fondamentalement ri. Cependant, à mesure que nous avons commencé à mettre les choses de côté, nous avons commencé à soupçonner que nous avions réellement trouvé Satan.

Edwin Huang, chercheur postdoctoral à l’UIUC et théoricien de la matière condensée, a finalement été invité à calculer les caractéristiques de la structure électronique de la ruthénite de strontium. “La prédiction de Baines concernant la présence de démons nécessite des conditions assez spécifiques, et personne ne sait clairement si la ruthénite de strontium devrait contenir des démons ou non”, dit-il. « Nous avons dû faire des calculs microscopiques pour montrer ce qui se passait. Lorsque nous l’avons fait, nous avons trouvé une particule constituée de deux bandes d’électrons oscillant déphasées du même nombre, tout comme l’a décrit Baines.

d’ailleurs chercher

Selon Abbamont, ce n’est pas une coïncidence si son groupe a rencontré Satan « par accident ». Il a souligné que lui et son groupe utilisaient des techniques peu répandues sur des matériaux peu étudiés. On pense que leur découverte de quelque chose d’inattendu et d’important était le résultat d’une tentative différente, et non pas seulement de la chance.

“Il a parlé de l’importance de mesurer les choses”, a-t-il déclaré. « La plupart des grandes inventions ne sont pas planifiées. Va trouver un nouvel endroit et vois ce qu’il y a là-bas. »

Référence : « Regardez Demon Pines comme un plasmon acoustique 3D dans Sr₂jusqu’à₄Écrit par Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Si Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips et Peter Abamonte, 9 août 2023, disponible ici. alam.
deux : 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte est membre du Laboratoire de recherche sur les matériaux de l’UIUC. Huang est membre du Condensed Matter Theory Institute de l’UIUC.

Les professeurs Philip Phillips de l’UIUC, Matteo Mitrano de l’Université Harvard, Bruno Ochoa de l’Université d’Oklahoma et Philip Paston de l’Université Rutgers ont contribué à ce travail.

Le soutien a été fourni par le Département américain de l’énergie, l’Association japonaise pour l’avancement de la science, la National Science Foundation et la Fondation Gordon et Betty Moore.