パインズの悪魔:超伝導体の目に見えない現象を解明する

1956 年に、デビッド パインズはファントムを策定しました。彼は、電気波紋の海が存在し、それらが相互に中和し、個々の波が満ちたり流れたりしても海全体が静止する可能性があると予測しました。パインズの悪魔として知られるようになったこの奇妙なものは、電気的に中性であるため、光には見えません。これは、検出が難しいという定義です。

何十年にもわたって、物理学者は悪魔の亜種を垣間見ることに成功しました。しかし、パインズの元の悪魔（金属ブロック内の電子から自然に発生するもの）は検出されませんでした。

現在、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の物理学者チームがパインズの悪魔を発見したようだ。電子が物質から跳ね返るときに電子を正確に追跡する技術を改良した後、研究チームは電子の群れの中を波打つ一連の周期的な波を生成して検出しました。物理学者が「モード」と呼ぶこれらの波は、パインズの計算とほぼ一致します。研究者らは研究結果をNatureで詳しく説明しました。 8 月に。

ラトガース大学の理論物理学者ピアーズ・コールマン氏は、「これらのモードは70年間観察されていなかった」と述べた。しかし、この新しい実験はどういうわけか、「これらの悪魔のモードをピックアップ」します。

イマジン デーモン

1950 年代は、金属中の電子の研究がブームの時期でした。物理学者はすでに、電子が互いに押しのけようとする傾向を無視し、電子を集合的に一種の自由流動ガスを形成しているかのように扱う単純化した理論を開発していました。 1952 年、パインズと彼の顧問であるデイビッド ボームはさらに一歩前進しました。この「電子ガス」理論に電子の相互作用を追加したところ、電子がある場所では固まり、別の場所では分散する可能性があることがわかりました。これらのクラスター化した電子は、高密度と低密度が交互に現れる整然とした波を形成しました (したがって、電荷の高い領域と低い領域)。

高密度と低密度の領域が交互に存在する電子の波 (青)。

メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン

その後、パインズは新しい理論をさらに推し進めました。彼は、それぞれ異なる種類の荷電粒子から作られた 2 つのガスを含む物質を想像しました。具体的には、「重い」電子と「軽い」電子を持つ金属を想像しました。 (理論的にはすべての電子は同一ですが、現実世界ではそれらの測定可能な特性は環境によって異なります。) パインズは、最初のガスの波が 2 番目のガスの波を中和できることを発見しました。重い電子が集まる場所では、軽い電子は薄れてしまいます。次に、重い電子のクラスターが分散すると、より軽い電子が集まり、より薄いパッチを埋めます。一方のガスが濃くなるのは、他方のガスが薄くなった場所と同じであるため、両方のタイプを合わせた全体の電子密度、つまり全体の電荷と電場は中性で変化しないままになります。カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物性物理学者、アンシュル コーガー氏は、「物事は動いていないように見えても、動いている可能性があります」と述べています。

2種類の電子（青と金）の重なり合う波。各色の密度は異なりますが、粒子の全体的な密度はどこでも同じです。

メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン

光は電荷の分布が不均一な物体からのみ反射するため、パインズの振動が中性であるため、光は完全に見えなくなりました。光はフォトンと呼ばれるエネルギーのパケットで発生し、パインズは彼の波のエネルギーのパケットを「悪魔」と名付けました。この名前は、パインズ氏が嘆くように、粒子や波に自分の名前を付けるには早すぎたという先駆的な物理学者、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの悪魔のような思考実験に敬意を表したものだった。 「マクスウェルに敬意を表し、ここでは明確な電子運動 (または D.E.M.) の場合を扱っているため、これらの新しい励起を『悪魔』と呼ぶことを提案します」とパインズは 1956 年に書いています。

何十年にもわたって、物理学者はさまざまな物質に悪魔のような波を観察しました。 1982 年、ベル研究所の研究者は、隣接するガリウムヒ素シートで反対の波を検出しました。そして今年、カリフォルニア大学バークレー校のフェン・ワン氏率いるチームは、グラフェンのシート内で正に帯電した粒子状の物体のわずかに薄い波と同期してビートする、目に見えない電子の波を捕らえた実験について報告した。

David Pines は、目に見えない「悪魔」波が 2 種類の電子を持つ物質で発生する可能性があると予測しました。

SFI のミネシュ・バクラニア

しかし、そのような目撃情報は主に、悪魔のような特徴がそれほど顕著ではない 2 次元システムで発生しました。次元の特殊性により、2D では好きなだけ力を入れてチャージ波を発射できます。しかし、3D では、波を開始するには、非社会的な電子を密集させるための最小限のエネルギーが必要です。電気的に中立なデーモンは、この 3D エネルギー料金を免れます。 「三次元の固体の中で悪魔を見るのは少し特別です」と、アーバナ・シャンペーングループで博士号の研究を行ったコガー氏は語った。

ここに悪魔がいます

ピーター・アバモンテ率いるアーバナ・シャンペーンチームは決して悪魔狩りをしなかった。パインズの悪魔は彼らの研究室にまっすぐ入ってきました。

2010 年、アバモンテ氏のグループは、電子の大群に波打つ微細な微動を検出する技術の開発を開始しました。彼らは物質に電子を発射し、電子が運ぶエネルギーと、跳ね返ったときにたどる経路を正確に記録しました。これらの跳弾の詳細に基づいて、研究グループはその物質が衝突にどのように反応したかを推測することができ、それによって衝突によって生じた波の特性が明らかになった。それは、浴槽にピンポン玉を当てて、水、蜂蜜、氷のいずれが満たされているかを判断するのに似ています。