Se observa el demonio de Pines en películas de Sr₂RuO₄

Por Francisco R. Villatoro, el 26 julio, 2024. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science

En 1956, David Pines predijo la existencia de un estado electrónico endemioniado. Una excitación colectiva de dos cuasipartículas de tipo electrón en dos bandas de energía diferentes que oscilan en antifase. Bautizó estos plasmones acústicos como DEMon o demon porque involucran el movimiento de electrones distintos (DEM-, por Distinct Electron Motion), acabando la palabra en -on, como electrón o excitón (en español se debería traducir como demonión). Los demoniones son cuasipartículas neutras (con carga total nula) con una relación de dispersión lineal, su energía es proporcional a su momento lineal donde se cruzan ambas bandas; por ello, se comportan como cuasipartículas sin masa (efectiva) a pesar de estar formados por dos cuasipartículas de tipo electrón, algo endemoniado. Se publicó en Nature en 2023 la primera observación del demonio de Pines en películas de alta calidad de Sr₂RuO₄. Se ha usado espectroscopía por pérdida de energía de electrones resuelta en momento lineal (M-EELS) y espectroscopia por fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) a temperatura ambiente (300 K). Se observa de forma muy clara el ancho pico asociado a este plasmón acústico a 1.2 eV, con una anchura cien veces mayor de la predicha en teoría; la razón no es sorprendente, ya que el Sr₂RuO₄ no es un líquido de Fermi para frecuencias ω ≳ 50 meV. Sin lugar a dudas es un gran éxito experimental observar por primera vez un fenómeno predicho hace unos 70 años.

Las excitaciones cuantizadas asociadas a las oscilaciones colectivas de los electrones en un metal se llaman plasmones. Plasmones de alta frecuencia se llaman ópticos (porque se pueden acoplar a fotones) y los de baja frecuencia se llaman acústicos, existiendo un salto de banda entre ambos. La cuasipartícula de tipo demonio de Pine es un tipo de plasmón acústico, que no se acopla a los fotones. Se cree que son relevantes en varios fenómenos físicos, como las transiciones de fase en semimetales, las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas y la superconductividad a alta temperatura en hidruros metálicos. El distroncio tetraóxido de dirutenio (Sr₂RuO₄) es un material de moda, el modelo más usado para estudiar correlaciones fuertes en sistemas cuánticos; este material es un superconductor no convencional y presenta fenómenos exóticos que apuntan a cuasipartículas de Majorana, pero por ahora no tiene muchas aplicaciones prácticas más allá de su uso en ciencia básica.

Volviendo a los demonios de Pine, quizás te sorprenda que sean neutros estando formado por dos electrones (a diferencia de un excitón que está formado por un electrón y un hueco). La razón es que la carga, igual que la masa, de las cuasipartículas de tipo electrón es una carga efectiva; estas cuasipartículas de tipo electrón no son electrones, sino ondas (excitaciones colectivas) de electrones. El Sr₂RuO₄ es un metal con tres bandas anidadas, llamadas α , β y γ, en el nivel con energía de Fermi. Además, las bandas β y γ tienen velocidades de Fermi y curvaturas (masas efectivas) muy diferentes. En el demonio de Pine, los electrones con menor masa efectiva (en la banda menos curvada) producen un apantallamiento de la interacción de Coulomb entre los electrones con mayor masa efectiva (en la banda más curvada). Como resultado, cuando estos electrones oscilan en antifase, la carga total efectiva del demomio se compensa y acaba con un valor cero (o muy pequeño). Una de las razones por las que ha costado tanto tiempo observar estos plasmones es que su carga efectiva es nula. En el nuevo artículo se ha verificado la neutralidad mostrando que la intensidad I(q) en función del momento sigue una ley de potencias con exponente −1.8, que es mayor que 5, la estimación para teórica para una cuasipartícula cargada (no apantallada).

No tiene aplicaciones prácticas, hasta ahora, pero observar por primera vez el demonio de Pine promete aplicaciones en ciencia básica, como explicar la superconductivdad no convencional del Sr₂RuO₄. Como siempre, cuidado, una primera observación, aunque se publique en Nature, nunca es definitiva, hasta que sea replicada de forma independiente (ya hay un primer artículo que lo ha logrado). El artículo es Ali A. Husain, Edwin W. Huang, …, Peter Abbamonte, «Pines’ demon observed as a 3D acoustic plasmon in Sr2RuO4,» Nature 621: 66-70 (09 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06318-8, arXiv:2007.06670 [cond-mat.str-el] (13 Jul 2020). Más información en la nota de prensa de Michael O’Boyle, «Demon hunting: Physicists confirm 67-year-old prediction of massless, neutral composite particle,» University of Illinois at Urbana-Champaign (13 Jul 2020). La primera replicación ya ha aparecido en arXiv, Young Woo Choi, Jisoon Ihm, Marvin L. Cohen, «Pairing interaction from Demons in Sr2RuO4,» arXiv:2407.02654 [cond-mat.supr-con] (02 Jul 2024). Sobre el posible use del demonio de Pine para explicar la superconductividad del Sr₂RuO₄ recomiendo Yoshiteru Maeno, Shingo Yonezawa, Aline Ramires, «Still Mystery after All These Years —Unconventional Superconductivity of Sr2RuO4—,» Journal of the Physical Society of Japan 93: 062001 (22 May 2024), doi: https://doi.org/10.7566/JPSJ.93.062001, arXiv:2402.12117 [cond-mat.supr-con] (19 Feb 2024).

Pines estudió un metal con dos bandas de energía, una con gran curvatura, cuyos electrones tienen gran masa efectiva, y otra con pequeña curvatura, cuyos electrones tienen una pequeña masa efectiva. Los electrones en ambas bandas pueden moverse en fase o en antifase (desfasadas 180 grados); en este último caso se observará una banda prohibida en el plasmón, por ello se trata de un plasmón acústico. El trabajo de Pines se enmarca en los superconductores, pues tenía en mente que un par de Cooper que fuera un demonio podría incrementar la temperatura crítica. De hecho, se ha propuesto que los demonios de Pines podrían jugar un papel en los hidruros metálicos superconductores a alta temperatura (pero no hay consenso sobre esta hipótesis).

Esta figura (a la derecha) muestra los espectros M-EELS a una temperatura T  = 300 K con una gran transferencia de energía. Se observa un pico de tipo plasmón ancho a unos 1.2 eV para un momento transferido q  = 0.12 r.l.u. (unidades reticulares recíprocas); este valor es unas cien veces mayor que el predicho para un plasmón convencional con dicha energía. Para mayores momentos transferidos, q  ≥ 0,28 r.l.u., el plasmón evoluciona hacia un continuo.

En el régimen de líquido de Fermi a baja energía, los espectros M-EELS muestran un plasmón acústico, con un salto de energía (energy gap) en q  = 0 menor de 8 meV (valor compatible con la predicción teórica). A partir de la relación de dispersión se puede calcular la velocidad de grupo, que a 300 K es de vg  = 0.701 ± 0.082 eV Å (o sea, (1.07 ± 0.12) × 10⁵ m/s); para pequeño momento transferido, q  < 0.03 r.l.u., la dispersión es cuadrática, ω(q) ≈ q². La anchura de la línea del modo plasmónico aumenta con el mommento, desde 7.6 ± 3.8 meV en q  = 0.03 r.l.u. hasta 46.2 ± 3.9 meV en q  = 0.08 r.l.u. (para q > 0.08 r.l.u. el modeo está tan amortiguado que es imposible estimar su anchura, por lo que dicho valor es el momento crítico). La velocidad de grupo depende de la temperatura, cayendo a 0.485 ± 0.081 eV Å en T  = 30 K. Además, es anisótropa; los valores anteriores eran para la dirección cristalina (1,0), siendo su valor para la dirección (1,1) de 0.815 ± 0.135 eV Å.

En la parte derecha de la figura se muestra la estimación de la ley de potencia para la relación entre intensidad y momento transferido, I(q). Sin entrar en más detalles, se publica este resultado en Nature como una primera observación del demonio de Pine en el Sr₂RuO₄. Futuros estudios tendrán que confirmarla y explorar su relación con la superconductividad no convencional en este material. Sin lugar a dudas queda mucho trabajo pendiente, habrá que estar al tanto de los avances en esta línea.



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