在超导体内部发现的“恶魔”粒子可能有助于解开物理学的圣杯
超导体是一种能够在极低的温度下无电阻传导电流的材料，它有着广泛的应用前景，比如磁悬浮列车、核聚变反应堆等。但是，超导体的工作原理一直是物理学的一个难题，尤其是如何实现室温超导性。近日，一项新的研究在超导体内部发现了一种神秘的“恶魔”粒子，它可能揭示了超导性的奥秘，也为寻找室温超导体提供了新的线索。
科学家在首次预测超导体近70年后，今日在超导体内部观察到了一种难以捉摸的“恶魔”粒子——派恩斯恶魔，它的发现可能有助于解开超导体如何工作的谜团。
派恩斯恶魔是一种透明、无电荷的粒子，在超导体钌酸锶样品中发现。它是一种等离子体激元——一种横跨等离子体电子的涟漪，其行为很像粒子——这意味着它是一个准粒子。
理论家认为等离子体可能有助于材料的超导性。如果物理学家能够找到方法，他们就可以利用派恩斯的恶魔来揭示室温超导体——这是物理学的“圣杯”之一，可以实现近乎无损的电力传输。“恶魔在理论上已经推测了很长时间，但实验主义者从未研究过它们，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学教授彼得·阿巴蒙特在一份声明中说。“事实上，我们甚至没有在寻找它。但事实证明，我们做的是完全正确的事情，我们找到了。
大卫·派恩斯在1956年首次构思了他的恶魔，他预测当两组不同能带的电子形成两个等离子体时，它会在某些金属中出现。如果这些等离子体彼此异相，使得一个等离子体的峰值与另一个等离子体的谷值对齐，它们可能会部分抵消。
通常，在整个材料上形成一个等离子体需要非常特定的温度，但派恩斯认为，他的新组合等离子体是无质量的，中性的，并且从能量混合物中获取其成分，可以在室温下存在。他将他的理论粒子命名为恶魔，该粒子具有“独特的电子运动”。但它缺乏质量和电荷，因此很难找到。
为了猎杀恶魔，这项研究的团队利用一种称为谱函数映射的技术，向一种超导体材料——钌酸锶发射电子，并测量它们的能量和动量。他们发现，在钌酸锶的超导态中，潜伏在钌酸锶内部的准粒子与对没有质量的电子模式的预测相符。后续实验复制了研究人员最初的发现，最终他们发现了派恩斯的恶魔。这是首次在超导体中观测到派恩斯恶魔，也是首次证实了它与超导性的关联。
“起初，我们不知道它是什么。恶魔不在主流中。这种可能性很早就出现了，我们基本上一笑置之，“现在是量子技术公司Quantinuum的物理学家在声明中说。“但是，当我们开始排除事情时，我们开始怀疑我们真的找到了恶魔。
派恩斯恶魔的发现可能有助于理解超导性的本质，以及如何提高超导体的临界温度。目前，物理学家普遍认为，当量子尺度的声波（称为声子）将电子摆动成一对称为库珀对时，就会出现超导性，从根本上将其行为改变为超流体的行为。超导性是由电子之间的相互作用导致的，其中一种重要的机制是声子——晶格振动的量子化表现。声子可以将电子成对结合，形成库珀对，从而使电子在超导体中无阻碍地流动。但是，声子机制并不能完全解释所有的超导现象，尤其是高温超导体的行为。
因此，物理学家一直在寻找其他可能的机制，比如等离子体激元。等离子体激元是一种由电子在金属中形成的波动，它也可以影响电子之间的相互作用。派恩斯恶魔就是一种特殊的等离子体激元，它是由两种不同能带的电子形成的等离子体波的叠加，它们的峰值和谷值相互抵消，使得派恩斯恶魔没有质量和电荷，也没有温度限制。派恩斯恶魔可能有助于将电子推到一起，从而增强超导性，甚至实现室温超导性。
为了验证这一假设，物理学家需要在其他超导体中寻找派恩斯恶魔的存在，以及它们与超导性的关系。如果能够找到一种方法，利用派恩斯恶魔来创造和控制超导性，那么物理学的“圣杯”——室温超导体——就有可能实现。这将为电力传输、计算机、医疗等领域带来革命性的变化。