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提出67年后，科学家找到恶魔准粒子！
光子盒研究院
近七十年来，被称为“派恩斯恶魔(Pines’ demon)”的等离子体一直是固态系统中纯粹的假想特征。这种不寻常的准粒子无质量、呈中性且无法与光发生相互作用，据估计它在某些超导体和半金属中发挥着关键作用。现在，美国和日本的科学家们在使用专门的电子能谱仪研究钌酸锶材料时终于探测到了它。
质子由物理学家David Pines和David Bohm于1952年提出，是等离子体中集体电子密度波动的量子。它们类似于声子——声音的量子，但与声子不同的是，当它们没有动量时，其频率不会趋于零。这是因为需要有限的能量来克服等离子体中电子和离子之间的库仑吸引力，从而产生振荡，这就需要有限的振荡频率（动量为零）。
如今，人们经常在金属和半导体中研究等离子体，因为它们具有行为类似等离子体的传导电子。质子、声子和其他量子化波动被称为准粒子，因为它们与光子等基本粒子具有相同的特性。
1956 年，派恩斯假设存在一种等离子体，它和声音一样，不需要初始能量爆发。为了纪念James Clerk Maxwell著名的“热力学妖怪(thermodynamic demon，或称麦克斯韦妖)”，他把这种新的准粒子称为“妖怪”。当金属不同波段的电子相互移位，使整体电荷保持静态时，派恩斯的“恶魔”就形成了。实际上，“恶魔”是中性准粒子的集体运动，其电荷被来自另一个带(band)的电子屏蔽。
然而，这一由来已久的预测很难在实验中得到证实。由于两个电子流互不相位，它们抵消并消除了长程库仑相互作用。这就排除了金属电介质特性中的“恶魔”信号，意味着准粒子不会与光发生相互作用。
现在，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Peter Abbamonte及其同事证明了如何利用一种非标准技术来研究金属钌酸锶(strontium ruthenate)，从而克服了这一困难。正如他们公开解释的那样，他们的发现是偶然的。与其说他们是为了寻找派恩斯恶魔，不如说他们是为了探索钌酸锶的电子特性，以便将这种材料用作高温超导体的一种替代品——高温超导体具有类似的特性。
他们使用的技术被称为“电子能量损失光谱学(electron energy-loss spectroscopy)”。这包括发射一束具有众所周知的狭窄能量范围的电子，并记录电子穿过目标材料后在哪些时刻损失了多少能量：这种技术非常适合研究质子，因为电子对电荷密度的波动非常敏感。
研究人员使用日本京都大学Yoshiteru Maeno及其合作者培育的毫米级钌酸锶单晶，利用低能电子和高能电子记录到了截然不同的光谱。在后一种情况下，他们发现能量损失在1.2 eV左右达到峰值，他们认为这是与典型（带电）等离子体的相互作用。另一方面，在能量较低的情况下，他们观察到了一种振荡，在零动量时能量间隙很小：不到8 meV。
第二个特征是一种声学模式，其速度约为声速的100倍，这与声子的速度相差太大。但同时，该模式的速度比表面等离子体的速度低三个数量级。不过，这个数字与美国加州大学洛杉矶分校理论家Edwin Huang对钌酸锶中两个电子带彼此反相振荡所产生的准粒子——“派恩斯恶魔”，的预测值相差不到10%。
为了确保他们真的找到了这个“恶魔”，研究人员通过研究其强度随动量的变化——即电子散射角的变化，来检验它的中性。他们推算出，传统等离子体的强度应与动量的5次方成反比变化。他们说，中性等离子体的强度也应与动量成反比变化，但幂次要小一些。这就是他们的发现：确定了新准粒子的特征是逆幂(inverse power)仅为 1.83。
他们在发表于《自然》（Nature）的论文中写道：“我们得出结论，这种声学模式就是派恩斯的恶魔，它在1956年就被预言，但直到现在才在三维材料中被观测到。”
他们认为，通过使用扫描透射电子显微镜进行更多的实验，以及发展准粒子的流体力学理论，可以更好地理解这个恶魔。但Abbamonte补充说，这种研究不必局限于钌酸锶，他解释说，这种“恶魔”应该存在于其他具有足够不同电子带的金属中，包括一些超导体，如二硼化镁或基于铁的超导体。
——“这不应该是一种罕见或神秘的效应。”
来源：[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8[2]https://physicsworld.com/a/demon-quasiparticle-is-caught-67-years-after-it-was-first-proposed/
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