Демон Пайнса наблюдался как трехмерный акустический плазмон в Sr2RuO4

Природа (2023)Цитировать эту статью

33 тыс. доступов

606 Альтметрика

Подробности о метриках

Характерным возбуждением металла является его плазмон, который представляет собой квантованное коллективное колебание его электронной плотности. В 1956 году Дэвид Пайнс предсказал, что особый тип плазмона, получивший название «демон», может существовать в трехмерных (3D) металлах, содержащих более одного вида носителей заряда1. Состоящие из противофазного движения электронов в разных диапазонах, демоны акустичны, электрически нейтральны и не взаимодействуют со светом, поэтому никогда не были обнаружены в равновесном трехмерном металле. Тем не менее, считается, что демоны имеют решающее значение для различных явлений, включая фазовые переходы в полуметаллах со смешанной валентностью2, оптические свойства металлических наночастиц3, саундароны в полуметаллах Вейля4 и высокотемпературную сверхпроводимость, например, в гидридах металлов3,5,6,7. Здесь мы представляем доказательства существования демона в Sr2RuO4, полученные с помощью спектроскопии потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Образованный из электронов в β- и γ-зонах, демон является бесщелевым с критическим импульсом qc = 0,08 единиц обратной решетки и скоростью при комнатной температуре v = (1,065 ± 0,12) × 105 м/с, претерпевающей 31% перенормировку при охлаждении до 30°С. K из-за взаимодействия с континуумом частица-дырка. Импульсная зависимость интенсивности демона подтверждает его нейтральный характер. Наше исследование подтверждает предсказание 67-летней давности и указывает на то, что демоны могут быть широко распространенной особенностью многозонных металлов.

Плазмоны, предложенные в 1952 году Пайнсом и Бомом8, были впервые обнаружены в экспериментах по неупругому рассеянию электронов9 и явились одним из первых подтвержденных примеров коллективных явлений в твердых телах. Ландау называл плазмоны «нулевым звуком», подчеркивая, что они являются квантовым аналогом акустического звука в классическом газе10. Однако, в отличие от обычного звука, частота которого стремится к нулю при нулевом импульсе q (то есть, когда его длина волны приближается к бесконечности), плазмоны, за исключением систем более низких измерений, требуют для возбуждения конечной энергии, поскольку создание колебаний плотности требует преодоления дальнодействующее кулоновское взаимодействие1,8. Плазменная частота ωp в обычных металлах колеблется от 15 эВ в Al (ссылка 11) до 20 эВ в Cu (ссылка 12).

В 1956 году Пайнс предсказал, что можно создать возбуждение плазмона без затрат кулоновской энергии1. Новая коллективная мода, получившая название «демон», возникает, когда электроны в разных зонах движутся в противофазе, что приводит не к чистой передаче заряда, а к модуляции занятости зоны. Демона можно рассматривать как коллективную моду нейтральных квазичастиц, заряд которых полностью экранирован электронами в отдельной зоне. Применяя приближение случайной фазы (RPA), Пайнс утверждал, что частота демонической моды ω должна масштабироваться как \(\omega \approx q\), исчезая как \(q\to 0\) (ссылка 1).

Удивительно, но, хотя это широко обсуждается в теоретической литературе1,2,5,6,13,14,15, похоже, не существует экспериментального подтверждения существования демона в 3D-металле, даже спустя 67 лет после его предсказания. Акустические плазмоны широко изучались в двумерных (2D) металлах16,17,18,19, в которых обычные однокомпонентные плазмоны бесщелевые20. Плазмоны низкой энергии также были обнаружены в слоистых 3D-металлах при q = π/d (d — расстояние между слоями), в основном недавно с помощью методов резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей21,22, хотя эти возбуждения рассеиваются до ωp при q = 0, поэтому не акустические23. Однажды сообщалось о демоне в фотовозбужденном GaAs, хотя эффект был лишь временным24. О настоящем демоне, который состоит из противофазного движения отдельных электронных жидкостей и который остается акустическим как \(q\to 0\) в трехмерной системе, еще не сообщалось.

Если бы экспериментально было доказано, что демоны существуют, то наверняка потребовалась бы правильная теория многих тел демонов, включающая гидродинамику и эффекты, выходящие за рамки RPA.

Что затрудняет обнаружение демонов, так это присущая им нейтральность заряда. Противофазные токи двух электронных жидкостей точно компенсируются при \(q\to 0\), гася дальнодействующую часть кулоновского взаимодействия. По этой причине демон не имеет признаков диэлектрической функции металла \(\varepsilon (q,\omega )\) в пределе малых q и не взаимодействует со светом. Наиболее многообещающим способом обнаружения демона является измерение возбуждений многозонного металла при ненулевом значении q, где демон модулирует плотность и может быть экспериментально наблюдаем с использованием методов электронной спектроскопии потерь энергии (EELS), которые первоначально наблюдали плазмоны9.