Prediksi aneh seorang fisikawan partikel berusia 67 tahun akhirnya terkonfirmasi

Enam puluh tujuh tahun setelah prediksi teoretis David Baines, partikel “setan” yang sulit dipahami, sebuah entitas tak bermassa dan netral dalam benda padat, telah ditemukan dalam strontium ruthenates, yang menggarisbawahi nilai pendekatan penelitian inovatif.

Pada tahun 1956, fisikawan teoretis David Baines meramalkan bahwa elektron dalam benda padat dapat melakukan sesuatu yang aneh. Meskipun elektron biasanya memiliki massa dan muatan listrik, Baines menegaskan bahwa elektron dapat bergabung membentuk partikel senyawa yang tidak bermassa, netral, dan tidak berinteraksi dengan cahaya. Dia menyebut partikel teoretis ini sebagai “Setan”. Sejak saat itu, telah dihipotesiskan memainkan peranan penting dalam perilaku berbagai macam mineral. Sayangnya, karakteristik yang sama yang membuatnya begitu menarik telah membuatnya luput dari deteksi sejak ia mengharapkannya.

Setelah 67 tahun, tim peneliti yang dipimpin oleh Peter Abamonte, seorang profesor fisika di Universitas Illinois Urbana-Champaign (UIUC), akhirnya menemukan Devil of Pines yang sulit ditangkap. Para peneliti juga melaporkan dalam jurnal tersebut alamMereka menggunakan teknik eksperimental non-standar yang secara langsung merangsang pola elektronik materi, memungkinkan mereka melihat tanda setan dalam mineral strontium ruthenate.

“Iblis telah berspekulasi secara teoritis sejak lama, namun mereka belum pernah dipelajari oleh para empiris,” kata Abamonte. “Sebenarnya kami tidak mencarinya. Tapi ternyata kami melakukan hal yang benar, dan kami menemukannya.”

Setan sulit dipahami

Salah satu penemuan terpenting dalam fisika benda terkondensasi adalah bahwa elektron kehilangan individualitasnya dalam benda padat. Interaksi listrik menyebabkan elektron bergabung membentuk unit kolektif. Dengan energi yang cukup, elektron dapat membentuk partikel kompleks yang disebut plasmon dengan muatan dan massa baru yang ditentukan oleh interaksi listrik mendasar. Namun, massanya biasanya terlalu besar untuk dibentuk oleh plasmon dengan energi yang tersedia pada suhu kamar.

Baines menemukan pengecualian. Jika suatu padatan mengandung elektron di lebih dari satu pita energi, seperti halnya dengan banyak logam, ia berpendapat bahwa plasmonnya dapat bergabung dalam pola di luar fase untuk membentuk plasmon baru, tak bermassa, dan netral: setan. Karena setan tidak bermassa, mereka dapat terbentuk dengan energi apa pun, sehingga mereka dapat hidup pada suhu berapa pun. Hal ini menimbulkan spekulasi bahwa mereka mempunyai pengaruh penting terhadap perilaku mineral multiskala.

Netralitas iblis berarti bahwa mereka tidak meninggalkan tanda dalam eksperimen standar benda terkondensasi. “Sebagian besar eksperimen dilakukan dengan menggunakan cahaya dan mengukur sifat optik, namun netral secara elektrik berarti setan tidak berinteraksi dengan cahaya,” kata Abbamonte. “Diperlukan jenis eksperimen yang benar-benar berbeda.”

Penemuan yang tidak terduga

Abbamonte ingat bahwa dia dan kolaboratornya mempelajari strontium ruthenite untuk alasan yang tidak terkait: logam tersebut adalah superkonduktor suhu tinggi tanpa menjadi superkonduktor. Berharap untuk menemukan petunjuk mengapa fenomena ini terjadi pada sistem lain, mereka melakukan survei pertama terhadap sifat elektronik logam.

Kelompok penelitian yang dipimpin oleh Yoshi Maeno, seorang profesor fisika di Universitas Kyoto, mengumpulkan sampel logam berkualitas tinggi yang diperiksa oleh Abamonte dan mantan mahasiswa pascasarjana Ali Hussein menggunakan spektroskopi kehilangan energi elektron dengan resolusi momentum. Ini adalah teknik non-standar, dan menggunakan energi dari elektron yang dilepaskan ke dalam logam untuk mengamati secara langsung sifat-sifat mineral, termasuk plasmon yang terbentuk. Saat para peneliti menyaring data, mereka menemukan sesuatu yang tidak biasa: mode elektron tanpa massa.

“Awalnya, kami tidak tahu apa itu,” kenang Hussain, yang kini menjadi ilmuwan riset di Quantinum. Setan tidak termasuk dalam arus utama. Kemungkinan ini muncul sejak awal, dan pada dasarnya kami menertawakannya. Namun ketika kami mulai mengesampingkan hal-hal tersebut, kami mulai curiga bahwa kami sebenarnya telah menemukan Setan.

Edwin Huang, seorang peneliti pascadoktoral UIUC dan ahli teori materi terkondensasi, akhirnya diminta untuk menghitung fitur struktur elektronik strontium ruthenite. “Prediksi Baines mengenai keberadaan setan memerlukan kondisi yang cukup spesifik, dan tidak jelas bagi siapa pun apakah strontium ruthenite seharusnya memiliki setan atau tidak,” katanya. “Kami harus melakukan perhitungan mikroskopis untuk menunjukkan apa yang sedang terjadi. Ketika kami melakukannya, kami menemukan sebuah partikel yang terdiri dari dua pita elektron yang berosilasi keluar fase dengan jumlah yang sama, seperti yang dijelaskan Baines.

kebetulan untuk mencari

Menurut Abbamont, bukan suatu kebetulan kelompoknya menemukan Setan “secara tidak sengaja”. Ia menegaskan, ia dan kelompoknya menggunakan teknik yang tidak banyak digunakan pada materi yang belum dipelajari dengan baik. Dipercaya bahwa penemuan mereka terhadap sesuatu yang tidak terduga dan penting adalah hasil dari mencoba sesuatu yang berbeda, bukan sekedar keberuntungan.

“Dia berbicara tentang pentingnya mengukur sesuatu,” katanya. “Sebagian besar penemuan hebat tidak direncanakan. Carilah tempat baru dan lihat apa yang ada di luar sana.”

Referensi: “Perhatikan Demon Pines sebagai plasmon akustik 3D di Sr₂ruo₄Ditulis oleh 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 dan Peter Abamonte, 9 Agustus 2023, Tersedia Di Sini. alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte adalah anggota Laboratorium Penelitian Material di UIUC. Huang adalah anggota Institut Teori Materi Terkondensasi di UIUC.

Profesor Philip Phillips dari UIUC, Matteo Mitrano dari Universitas Harvard, Bruno Ochoa dari Universitas Oklahoma, dan Philip Paston dari Universitas Rutgers berkontribusi pada pekerjaan ini.

Dukungan telah diberikan oleh Departemen Energi AS, Asosiasi Jepang untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan, National Science Foundation, dan Gordon and Betty Moore Foundation.