Pozbawiona masy „cząstka-demon” istnieje - donosi „Nature”

Istnienie przewidywanej w połowie XX wieku, pozbawionej masy i neutralnej elektrycznie „cząstki-demona” udało się potwierdzić po 67 latach. Wielu fizyków przypuszczało, że „cząstka-demon” może odgrywać istotną rolę w zachowaniu wielu metali. – informuje „Nature”.

Czym jest „cząstka-demon”?

.W normalnych warunkach elektrony mają masę i ładunek elektryczny. Jednak w roku 1956 amerykański fizyk teoretyczny David Pines przewidział, że elektrony w ciele stałym mogą zachowywać się w dziwny sposób: łączyć się w złożoną cząstkę, która jest pozbawiona masy, neutralna i nie oddziałuje ze światłem. Tę potencjalną cząstkę nazwał „demonem”. Wielu fizyków przypuszczało, że „cząstka-demon” może odgrywać istotną rolę w zachowaniu wielu metali. Trudno jednak wykryć coś, co pozbawione jest zarówno ładunku, jak i masy, toteż demon wymykał się badaczom przez długie dziesięciolecia.

Dopiero teraz, 67 lat od przewidywań Pinesa, zespołowi naukowców kierowanemu przez Petera Abbamonte, profesora fizyki na University of Illinois Urbana-Champaign (USA), udało się schwytać ulotnego demona – przy badaniu właściwości metalicznego rutenianu strontu (Sr2RuO4). „Istnienie 'demonów’ teoretycznie przewidywano od dawna, ale eksperymentatorzy nigdy ich nie badali – powiedział Abbamonte. – W rzeczywistości nawet ich nie szukaliśmy. Ale okazało się, że postępujemy właściwie i znaleźliśmy je”.

Plazmony i bezmasowe „demony”

.Jednym z najważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki materii skondensowanej jest to, że elektrony tracą swoją indywidualność w ciałach stałych. Pod wpływem elektrycznych odziaływań łączą się w jednostki zbiorowe. Przy wystarczającej energii elektrony mogą nawet tworzyć złożone cząstki, zwane plazmonami, o nowym ładunku i określonej masie, poprzez podstawowe interakcje elektryczne. Jednak masa plazmonów jest zwykle tak duża, że nie mogą one powstawać przy energiach dostępnych w temperaturze pokojowej.

Pinesowi udało się znaleźć wyjątek od reguły: jeśli ciało stałe ma elektrony w więcej niż jednym paśmie energetycznym (co ma miejsce w wielu metalach), ich odpowiednie plazmony mogą łączyć się w układzie pozafazowym, tworząc nowy plazmon, który jest bezmasowy i neutralny (demon). Ponieważ demony są bezmasowe, mogą tworzyć się z dowolną energią, a zatem istnieć w każdej temperaturze. Doprowadziło to do spekulacji, że mają istotny wpływ na zachowanie metali wielopasmowych.

Elektryczna neutralność „cząstek-demonów”

.Ze względu na elektryczną neutralność demonów nie pozostawiają one śladu w standardowych eksperymentach ze skondensowaną materią. „Ogromna większość eksperymentów jest wykonywana ze światłem i mierzy właściwości optyczne, ale bycie elektrycznie obojętnym oznacza, że demony nie wchodzą w interakcje ze światłem – powiedział Abbamonte. – Potrzebny był zupełnie inny rodzaj eksperymentu”. Abbamonte i jego współpracownicy badali rutenian strontu z zupełnie innego powodu – jest podobny do nadprzewodników wysokotemperaturowych, ale nie jest takim nadprzewodnikiem. Chcąc wyjaśnić fenomen nadprzewodnictwa w innych materiałach, jako pierwsi zbadali elektronowe właściwości tego metalu.

Grupa badawcza Yoshi Maeno, profesora fizyki na Uniwersytecie w Kioto, zsyntetyzowała wysokiej jakości próbki rutenianu strontu, które Abbamonte i jego były doktorant Ali Husain zbadali za pomocą techniki spektroskopii strat energii elektronów z rozdzielczością pędu. Ta niestandardowa metoda wykorzystuje energię elektronów wstrzeliwanych do metalu – do bezpośredniej obserwacji właściwości tegoż metalu, w tym także powstawania plazmonów. Analizując dane, naukowcy natknęli się na coś niezwykłego: cząstkę pozbawioną masy.

Niemainstreamowa „cząstka-demon”

.”Na początku nie mieliśmy pojęcia, co to jest. Demony nie są mainstreamowe. Początkowo się z tego śmialiśmy, ale wykluczając inne wytłumaczenia zaczęliśmy podejrzewać, że naprawdę znaleźliśmy demona” – wspomina Husain, obecnie naukowiec w Quantinuum. Według Abbamonte to nie przypadek, że jego grupa odkryła demona. Podkreślił, że stosowali technikę, która nie jest powszechnie używana w przypadku substancji, jaka nie została dobrze zbadana. Wierzy, że odkrycie czegoś nieoczekiwanego i ważnego to po prostu konsekwencja spróbowania „czegoś innego”. „To mówi o znaczeniu pomiarów – uznał. – Większość wielkich odkryć nie jest planowana”.

Reaktory termojądrowe

.Na temat odnawialnych źródeł energii i fuzji termojądrowych na łamach “Wszystko Co Najważniejsze” pisze prof. Michał KLEIBER w tekście “Kontrolowana synteza termojądrowa ważnym elementem energetyki przyszłości“.

“Poprawa tej sytuacji wymaga zasadniczych zmian w energetyce, transporcie i wielu innych obszarach życia, a kluczową postulowaną zmianą jest oczywiście stopniowe odchodzenie od paliw kopalnych. Dzisiejsze alternatywy dla węgla, gazu i ropy są jednak dalekie od satysfakcjonujących – źródła odnawialne wykorzystujące słońce, wiatr i przepływy wody są niestabilne i generują ciągle relatywnie małą część potrzebnej energii. Za dobrą alternatywę uważana jest powszechnie energetyka jądrowa, ale i ona w dotychczas stosowanej tradycyjnej wersji ma swoje istotne wady. Bazuje ona na reakcji rozczepienia jąder atomów w procesie ich zderzania, wymagającym bardzo skrupulatnej kontroli i użycia pierwiastków ciężkich, których atomy po rozpadzie wytwarzają radioaktywne śmieci. W dodatku dostępność potrzebnych w tym procesie pierwiastków staje się w dzisiejszym świecie coraz bardziej problematyczna”.

“Efektem tej sytuacji jest rosnące zainteresowanie innym sposobem wykorzystania jądrowej generacji energii, zwanym fuzją termojądrową lub kontrolowaną syntezą termojądrową. Terminy te oznaczają odtworzenie w kontrolowanych warunkach procesów zachodzących w jądrze Słońca”.

“W reaktorze fuzyjnym zachodzi reakcja odwrotna do opisanej wyżej – zamiast rozbijać jądra atomów, należy doprowadzić do ich połączenia. Prowadzi to do dość istotnych różnic między tymi reakcjami, wśród których może najważniejsze są dwie – w reaktorze termojądrowym nigdy nie zajdzie niekontrolowana reakcja łańcuchowa, więc nie ma niebezpieczeństwa awarii takiej jak w Fukushimie czy Czarnobylu. Druga różnica to brak odpadów radioaktywnych, które w przypadku reaktorów rozszczepieniowych trzeba przechowywać przez tysiące lat w bezpiecznym miejscu. Jedyną substancją radioaktywną, która mogłaby zostać uwolniona do otoczenia w wyniku awarii reaktora termonuklearnego, jest tryt o połowicznym okresie rozpadu wynoszącym tylko około 12 lat”.

.”W przeciwieństwie do tradycyjnej energetyki jądrowej, uważanej obecnie w takich krajach jak Niemcy i Japonia za stwarzającą istotne zagrożenia dla środowiska naturalnego, reaktory termojądrowe uważane są za praktycznie niewyczerpywalne źródła przyjaznej człowiekowi energii. Wiele jąder atomowych może służyć w nich jako paliwo, a najkorzystniejsze wydaje się dzisiaj doprowadzanie do syntezy jąder deuteru i trytu, czyli izotopów wodoru. Paliwo takie byłoby w zasadzie darmowe i właśnie dlatego większość badań prowadzona jest w tym kierunku” – pisze prof. Michał KLEIBER.

PAP/Paweł Wernicki/WszystkoCoNajważniejsze/MJ