데이비드 베인스(David Baines)의 이론적 예측 이후 67년이 지난 후, 고체 내 질량이 없고 중성인 실체인 찾기 힘든 “악마” 입자가 스트론튬 루테네이트에서 발견되어 혁신적인 연구 접근 방식의 가치를 강조했습니다.

1956년 이론물리학자 데이비드 베인스는 고체 물질의 전자가 이상한 일을 할 수 있다고 예측했습니다. 전자는 일반적으로 질량과 전하를 가지고 있지만 Baines는 전자가 결합하여 질량이 없고 중성이며 빛과 상호 작용하지 않는 복합 입자를 만들 수 있다고 주장했습니다. 그는 이 이론적 입자를 “사탄”이라고 불렀습니다. 그 이후로, 이는 다양한 미네랄의 행동에 중요한 역할을 한다는 가설이 세워졌습니다. 불행하게도 그를 그토록 흥미롭게 만드는 동일한 특성으로 인해 그는 예상했던 것보다 탐지를 피할 수 있었습니다.

일리노이대학교 어바나 샴페인(UIUC) 물리학과 피터 아바몬테 교수가 이끄는 연구팀이 67년 만에 마침내 악마의 소나무를 발견했다. 연구원들은 또한 저널에 보고했습니다. 자연그들은 물질의 전자 패턴을 직접 자극하는 비표준 실험 기술을 사용하여 광물 스트론튬 루테네이트에서 악마의 흔적을 볼 수 있게 했습니다.

“악마는 오랫동안 이론적으로 추측되어 왔지만 경험론자들은 악마에 대해 연구한 적이 없습니다.”라고 Abamonte는 말했습니다. “사실 우리는 그것을 찾고 있지도 않았습니다. 그런데 알고 보니 우리가 정확히 옳은 일을 하고 있었고, 찾았습니다.”

사탄은 잡히지 않는다

응집물질 물리학의 가장 중요한 발견 중 하나는 전자가 고체에서 개성을 잃는다는 것입니다. 전기적 상호 작용으로 인해 전자가 결합하여 집합 단위를 형성합니다. 에너지가 충분하면 전자는 기본적인 전기 상호작용에 의해 결정되는 새로운 전하와 질량을 갖는 플라즈몬이라는 복잡한 입자를 형성할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 플라즈몬이 실온에서 이용 가능한 에너지로 형성되기에는 질량이 너무 큽니다.

베인스는 예외를 발견했습니다. 많은 금속의 경우와 같이 고체가 하나 이상의 에너지 대역에 전자를 포함하는 경우, 그는 플라즈몬이 위상차 패턴으로 결합하여 새로운 질량이 없는 중성 플라즈몬인 악마를 형성할 수 있다고 주장했습니다. 악마는 질량이 없기 때문에 어떤 에너지로도 형성될 수 있으므로 모든 온도에서 존재할 수 있습니다. 이는 이들이 다중 규모 광물의 거동에 중요한 영향을 미친다는 추측으로 이어졌습니다.

악마의 중립성은 표준 응축 물질 실험에서 흔적을 남기지 않는다는 것을 의미합니다. Abbamonte는 “대부분의 실험은 빛을 사용하여 광학적 특성을 측정하지만 전기적으로 중성이라는 것은 악마가 빛과 상호 작용하지 않는다는 것을 의미합니다”라고 말했습니다. “완전히 다른 종류의 실험이 필요했습니다.”

뜻밖의 발견

Abbamonte는 그와 그의 동료들이 관련 없는 이유로 스트론튬 루테나이트를 연구하고 있었다고 회상합니다. 금속은 초전도체가 아닌 고온 초전도체입니다. 이 현상이 다른 시스템에서 발생하는 이유에 대한 단서를 찾기 위해 그들은 금속의 전자 특성에 대한 첫 번째 조사를 수행했습니다.

교토대학 물리학과 요시 마에노(Yoshi Maeno) 교수가 이끄는 연구 그룹은 아바몬테(Abamonte)와 전 대학원생 알리 후세인(Ali Hussein)이 운동량 분해 전자 에너지 손실 분광법을 사용하여 조사한 고품질 금속 샘플을 수집했습니다. 이는 비표준 기술이며 금속으로 방출되는 전자의 에너지를 사용하여 형성되는 플라즈몬을 포함하여 광물의 특성을 직접 관찰합니다. 연구자들은 데이터를 조사하면서 뭔가 특이한 것을 발견했습니다. 바로 질량이 없는 전자 모드였습니다.

현재 Quantinum의 연구 과학자인 Hussain은 “처음에는 그것이 무엇인지 전혀 몰랐습니다.”라고 회상합니다. 악마는 주류에 속하지 않습니다. 이런 가능성은 일찍부터 나타났고, 우리는 기본적으로 그것을 비웃었습니다. 그러나 우리가 상황을 배제하기 시작했을 때 우리는 실제로 사탄을 발견했다고 의심하기 시작했습니다.

UIUC 박사후 연구원이자 응집물질 이론가인 Edwin Huang은 결국 스트론튬 루테나이트의 전자 구조 특징을 계산해 달라는 요청을 받았습니다. “악마의 존재에 대한 베인스의 예측은 상당히 구체적인 조건을 수반하며, 스트론튬 루테나이트에 악마가 있어야 하는지 여부는 누구에게도 명확하지 않습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 보여주기 위해 미세한 계산을 수행해야 했습니다. 그렇게 했을 때 Baines가 설명한 것처럼 거의 같은 양만큼 위상이 다르게 진동하는 두 개의 전자 밴드로 구성된 입자를 발견했습니다.

우연한 검색

Abbamont에 따르면, 그의 그룹이 사탄을 “우연히” 발견한 것은 우연이 아닙니다. 그는 그와 그의 그룹이 잘 연구되지 않은 자료에 널리 사용되지 않는 기술을 사용하고 있다고 주장했습니다. 예상치 못한 중요한 것을 발견한 것은 단지 행운이 아니라 뭔가 다른 것을 시도한 결과라고 믿어집니다.

“그는 사물을 측정하는 것의 중요성에 대해 이야기합니다.”라고 그는 말했습니다. “대부분의 위대한 발견은 계획되지 않은 것입니다. 가서 새로운 장소를 찾아 거기에 무엇이 있는지 확인하십시오.”

참조: “Sr의 3D 음향 플라즈몬인 Demon Pines에 주목하세요.₂루오₄글: 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 및 Peter Abamonte, 2023년 8월 9일, 여기에서 확인 가능. 자연.
도이: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte는 UIUC 재료연구소의 회원입니다. Huang은 UIUC의 응집물질이론연구소 회원입니다.

UIUC의 Philip Phillips 교수, Harvard 대학의 Matteo Mitrano, 오클라호마 대학의 Bruno Ochoa, Rutgers 대학의 Philip Paston 교수가 이 작업에 기여했습니다.

미국 에너지부, 일본과학진흥협회, 국립과학재단, 고든 앤 베티 무어 재단의 지원이 제공되었습니다.