Wissenschaftler entdecken das schwer fassbare „Teufelsteilchen“ fast 70 Jahre nach seiner ersten Vorhersage

Wissenschaftler haben ein „Teufelsteilchen“ entdeckt, das zu Supraleitern führen könnte, die bei Raumtemperatur Strom leiten – der „heilige Gral“ der Physik.

Ein Supraleiter ist ein bestimmtes Metall oder eine Legierung, die in der Lage ist, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten, aber die Temperatur muss unter 100 Fahrenheit bis zum Gefrierpunkt liegen.

Forscher der University of Illinois haben kürzlich im Mineral Strontiumruthenat ein Teilchen identifiziert, das keine Masse hat, also bei jeder Temperatur entstehen kann – fast 70 Jahre nachdem die „Teufel“ es vorhergesagt hatten.

Supraleiter werden in Prozessen wie Hochbahnen und hochauflösenden Magnetresonanztomographen (MRT) eingesetzt, aber Materialien, die bei Raumtemperatur funktionieren, würden den Weg für leistungsstärkere Computer ebnen.

Supraleitung wurde vor mehr als 100 Jahren in Quecksilber entdeckt, das auf die Temperatur von flüssigem Helium von minus 452 Fahrenheit abgekühlt wurde.

Nach der Entdeckung der Supraleitung in Quecksilber wurde dieses Phänomen auch bei anderen Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet.

Zu den Materialien gehörten mehrere Metalle und Legierungen aus Niob und Titan, die sich leicht zu Draht verarbeiten ließen

Das teuflische Teilchen wurde erstmals 1956 vom theoretischen Physiker David Baines vorhergesagt, der glaubte, dass Elektronen auf ihrer Reise durch einen Festkörper „seltsam“ interagieren würden.

Elektronen können in Festkörpern ihre Individualität verlieren, weil sich Elektronen durch elektrische Wechselwirkungen zu kollektiven Einheiten verbinden.

Mit genügend Energie können Elektronen zusammengesetzte Teilchen, sogenannte Plasmonen, mit neuer Ladung und Masse bilden, die durch grundlegende elektrische Wechselwirkungen bestimmt werden.

Allerdings ist die Masse normalerweise zu groß, als dass sich Plasmonen mit den bei Raumtemperatur verfügbaren Energien bilden könnten – Baines vermutete jedoch, dass es hier eine Ausnahme gab.

Der Physiker argumentierte, dass, wenn ein Festkörper Elektronen in mehr als einem Energieband hätte, wie es bei vielen Metallen der Fall ist, sich seine Plasmonen in einem phasenverschobenen Muster verbinden könnten, um ein neues masseloses, neutrales Plasmon zu bilden – einen Dämon.

Da Dämonen masselos sind, können sie sich mit jeder Energie bilden und bei allen Temperaturen existieren.

Dies hat zu Spekulationen geführt, dass sie grundlegende Auswirkungen auf das Verhalten multiskaliger Mineralien haben.

Die Entdeckung wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Peter Abamonte, einem Professor für Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign, gemacht, der Baines’ Vorhersage bei der Untersuchung des Minerals Strontiumruthenat kartierte.

Das Experiment hatte nichts mit Supraleitern zu tun, aber das Metall ist wie ein Hochtemperatur-Supraleiter, ohne einer zu sein.

Die Forscher führten den ersten Scan der elektronischen Eigenschaften eines Metalls durch, indem sie es mit Elektronen beschossen und damit den Teufel in den Eigenschaften des Metalls beschworen.

Abamonte arbeitete bei dem Projekt mit dem ehemaligen Doktoranden Ali Hussain zusammen, der sagte: „Zuerst hatten wir keine Ahnung, was es war.

Teufel sind nicht im Mainstream. Die Möglichkeit kam schon früh und wir haben im Grunde darüber gelacht.

„Aber als wir anfingen, Dinge auszuschließen, begannen wir zu vermuten, dass wir wirklich den Teufel gefunden hatten.“

Edwin Huang, ein Moore-Postdoktorand an der UIUC und Theoretiker der kondensierten Materie, wurde schließlich gebeten, Merkmale der elektronischen Struktur von Strontiumruthenat zu berechnen.

Pines‘ Vorhersage von Dämonen erforderte ziemlich spezifische Bedingungen, sagte Huang, und es sei niemandem klar, ob Strontiumruthenat überhaupt einen Dämon haben sollte.

Wir mussten eine mikroskopische Berechnung durchführen, um herauszufinden, was los war. Als wir das taten, fanden wir ein Teilchen, das aus zwei Elektronenbändern bestand, die mit ungefähr gleicher Stärke phasenverschoben oszillierten, genau wie Baines es beschrieben hatte.