Wetenschappers ontdekken het ongrijpbare “duivelsdeeltje” bijna 70 jaar nadat het voor het eerst werd voorspeld

Wetenschappers hebben een ‘duivelsdeeltje’ ontdekt dat zou kunnen leiden tot supergeleiders die elektriciteit geleiden bij kamertemperatuur – de ‘heilige graal’ van de natuurkunde.

Een supergeleider is een bepaald metaal of een bepaalde legering die elektriciteit zonder weerstand kan geleiden, maar de temperatuur moet onder de 100 Fahrenheit tot het vriespunt liggen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben onlangs een deeltje geïdentificeerd dat geen massa heeft, wat betekent dat het zich bij elke temperatuur kan vormen in het mineraal strontiumruthenaat – bijna 70 jaar nadat de ‘duivels’ het hadden voorspeld.

Supergeleiders worden gebruikt in processen zoals verhoogde treinen en MRI-machines (Magnetic Resonance Imaging) met hoge resolutie, maar materialen die bij kamertemperatuur werken, zouden de weg vrijmaken voor krachtigere computers.

Supergeleiding werd meer dan 100 jaar geleden ontdekt in kwik dat was afgekoeld tot een temperatuur van vloeibaar helium van min 452 Fahrenheit.

Na de ontdekking van supergeleiding in kwik is dit fenomeen ook waargenomen in andere materialen bij zeer lage temperaturen.

De materialen omvatten verschillende metalen en legeringen van niobium en titanium die gemakkelijk tot draad konden worden gemaakt

Het duivelse deeltje werd voor het eerst voorspeld door theoretisch natuurkundige David Baines in 1956, die geloofde dat elektronen ‘vreemd’ zouden interageren wanneer ze door een vaste stof reizen.

Elektronen kunnen hun individualiteit in vaste stoffen verliezen omdat elektrische interacties ervoor zorgen dat elektronen zich combineren om collectieve eenheden te vormen.

Met voldoende energie kunnen elektronen samengestelde deeltjes vormen, plasmonen genaamd, met een nieuwe lading en massa bepaald door fundamentele elektrische interacties.

De massa is echter meestal te groot voor plasmonen om te vormen met de energieën die beschikbaar zijn bij kamertemperatuur, maar Baines veronderstelde dat hierop een uitzondering was.

De natuurkundige voerde aan dat als een vaste stof elektronen in meer dan één energieband had, zoals veel metalen doen, hun plasmonen zich zouden kunnen combineren in een uit-fasepatroon om een ​​nieuwe massaloze, neutrale plasmon te vormen – een demon.

Omdat demonen massaloos zijn, kunnen ze zich vormen met elke energie en kunnen ze bij alle temperaturen bestaan.

Dit heeft geleid tot speculaties dat ze fundamentele effecten hebben op het gedrag van meerschalige mineralen.

De ontdekking werd gedaan door een team van onderzoekers onder leiding van Peter Abamonte, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die de voorspelling van Baines in kaart bracht tijdens het bestuderen van het mineraal strontiumruthenaat.

Het experiment was niet gerelateerd aan supergeleiders, maar het metaal is als een supergeleider op hoge temperatuur zonder er een te zijn.

De onderzoekers maakten de eerste scan van de elektronische eigenschappen van een metaal door het met elektronen te vernietigen en de duivel in de eigenschappen van het metaal op te roepen.

Abamonte werkte samen met voormalig afgestudeerde student Ali Hussain aan het project, die zei: “In het begin hadden we geen idee wat het was.

Duivels zijn niet in de mainstream. De mogelijkheid kwam al vroeg en we lachten er eigenlijk om.

“Maar toen we dingen begonnen uit te sluiten, begonnen we te vermoeden dat we de duivel echt hadden gevonden.”

Edwin Huang, een Moore postdoctoraal onderzoeker aan de UIUC en theoreticus van de gecondenseerde materie, werd uiteindelijk gevraagd om kenmerken van de elektronische structuur van strontiumruthenaat te berekenen.

Pines’ voorspelling van demonen vereiste vrij specifieke voorwaarden, zei Huang, en het was voor niemand duidelijk of strontiumruthenaat überhaupt een demon zou moeten hebben.

We moesten een microscopische berekening maken om erachter te komen wat er aan de hand was. Toen we dat deden, vonden we een deeltje bestaande uit twee elektronenbanden die uit fase oscilleren met ongeveer dezelfde sterkte, precies zoals Baines beschreef.