理论预测的“恶魔”粒子首次现身，可助揭示超导体工作原理

科技日报记者 刘霞

理论预测67年后，美国和日本的科学家首次在钌酸锶内部发现了名为“恶魔”的粒子。这一发现或可解释为什么某些材料是超导体，并有助科学家寻找新的超导材料。相关论文发表于9日出版的《自然》杂志。

科学家们目前尚不清楚超导体究竟是如何工作的。
图片来源：《新科学家》网站

该粒子是一种等离子体激元，产生于名为等离子体的带电粒子。当电子从原子中自由“漂浮”出来时，就会形成等离子体。等离子体激元是等离子体内的集体振动，其行为就像一个粒子，这种“准粒子”在金属反射和吸收光等方面发挥关键作用。

1956年，美国物理学家大卫·派因斯首次提出了一种由两种不同能量的等离子体以不同频率振荡产生的等离子体激元，称其为“独特的电子运动”或“恶魔”，并预测它将具有多种特性：对光不可见、电中性、行为表现类似声音等。这些特征有助揭示超导性，以及金属纳米颗粒与如何光相互作用。

在最新研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校彼得·阿巴蒙特领导的团队，首次在钌酸锶这一超导晶体内发现了“恶魔”。为做到这一点，他们将电子从晶体上弹开，并以极高精度测量其获得或损失的能量，然后利用这一微小的能量变化计算晶体内“恶魔”的动量，结果与派因斯的预测非常吻合。

钌酸锶的高能光谱。
图片来源：《自然》网站

阿巴蒙特表示，“恶魔”也应该存在于其他许多金属材料中，只需要这种金属拥有两组以不同频率振动的不同能量的电子，而包括高温超导体氢化镧在内的很多材料都拥有这些特征。

这种“恶魔”粒子或许也能解释超导性是如何产生的。获得诺贝尔奖的BCS理论（以三位发现者名字的首字母命名）是解释常规超导体超导性的微观理论，其认为电子可配对并在零电阻情况下四处移动，这些成对电子可通过声音准粒子“声子”相互作用。但也有人认为，它们能通过“恶魔”粒子相互作用。阿巴蒙特表示，最新研究可能暗示了情况确实如此。