Các nhà khoa học tình cờ phát hiện được "hạt quỷ", giải đáp bí ẩn kéo dài suốt 67 năm

"Hạt quỷ" - Demon particle - thực chất là một loại hạt electron kỳ lạ. Khi chúng di chuyển qua chất rắn, tương tác của chúng với nhau có thể tạo thành các kích thích tập thể hoạt động giống như các hạt hoàn toàn mới với các đặc điểm khác nhau. Do đó, chúng còn được gọi là quasiparticles.

Một dạng giả hạt cụ thể của hạt quỷ được gọi là plasmon, xảy ra do các dao động plasma, và chúng có điện tích và khối lượng mới tách biệt với các electron tạo nên chúng. Tuy nhiên, người ta cho rằng plasmon không thể tồn tại ở nhiệt độ phòng.

Vào những năm 1950, nhà vật lý lý thuyết David Pines đã đưa ra một dự đoán. Ông tin rằng nếu một chất rắn có nhiều hơn một dải năng lượng, giống như nhiều kim loại, thì các plasmon của nó có thể kết hợp theo kiểu lệch pha và tạo thành một plasmon mới vừa không có khối lượng vừa không có điện tích. Pines sẽ đặt tên cho plasmon trung tính mới này là "hạt quỷ".

Vì hạt này không có khối lượng nên Pines tin rằng nó có thể hình thành ngay cả ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Với việc một hạt như vậy có thể tồn tại ở mọi nhiệt độ, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng những hạt quỷ này có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi điện tử trong chất siêu dẫn, bán kim loại và các vật liệu thú vị khác.

Trong 67 năm qua, dự đoán của Pines chỉ có vậy - nó vẫn chỉ là một dự đoán. Điều này phần lớn là do các đặc tính độc đáo của hạt quỷ cũng khiến nó có thể không bị phát hiện bằng các phương tiện truyền thống.

Ở thời điểm hiện tại, các nhà khoa học tại Đại học Illinois Urbana-Champaign và Đại học Kyoto đã thực hiện những phát hiện trực tiếp đầu tiên về hạt quye trong một kim loại có tên là strontium ruthenate.

Peter Abbamonte, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Phần lớn các thí nghiệm được thực hiện với ánh sáng và đo các tính chất quang học, nhưng trung hòa về điện sẽ khiến cho hạt quỷ không tương tác với ánh sáng.

Strontium ruthenate (Sr₂RuO₄ ) là một kim loại rất thú vị vì nó có điểm tương đồng mạnh mẽ với chất siêu dẫn nhiệt độ cao mà không thực sự là một chất siêu dẫn. Với hy vọng giải thích tại sao strontium ruthenate không có tính chất này, Yoshi Maeno, giáo sư vật lý tại Đại học Kyoto, đã tổng hợp một số mẫu kim loại chất lượng cao và được chuyển cho Abbamonte và cựu sinh viên tốt nghiệp Ali Husain để nghiên cứu.

Để làm điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật quang phổ tổn thất năng lượng điện tử phân giải động lượng (M-EELS) không chuẩn, sử dụng năng lượng từ các điện tử bắn vào các mẫu kim loại để quan sát trực tiếp các đặc điểm của kim loại, bao gồm bất kỳ plasmon nào hình thành.

Khi nghiên cứu dữ liệu, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một điều bất thường: một chế độ điện tử đã được quan sát, nhưng nó không có khối lượng có thể đo được.

"Lúc đầu, chúng tôi không biết nó là gì", Ali Husain, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. "Nhưng, khi chúng tôi bắt đầu loại trừ mọi kết quả có thể xảy ra, chúng tôi bắt đầu nghi ngờ rằng mình đã thực sự tìm thấy hạt quỷ".

Để xác định chắc chắn phán đoán này, các nhà khoa học đã liên hệ với Edwin Huang, một nhà lý thuyết vật chất ngưng tụ tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, để tính toán các đặc điểm cấu trúc điện tử của strontium ruthenate.

"Dự đoán về hạt quỷ của Pines đòi hỏi những điều kiện khá cụ thể và không ai rõ liệu strontium ruthenate có tòn tại hạt quỷ hay không", Huang nói. "Chúng tôi phải thực hiện một phép tính vi mô để làm rõ chuyện gì đang xảy ra. Khi chúng tôi làm điều này, chúng tôi tìm thấy một hạt bao gồm hai dải electron dao động lệch pha với độ lớn gần bằng nhau, giống như Pines đã mô tả".

"Hạt quỷ đã được phỏng đoán về mặt lý thuyết trong một thời gian dài, nhưng các nhà thực nghiệm chưa bao giờ nghiên cứu chúng", Abbamonte nói.

Và quả nhiên, hạt quỷ chỉ xuất hiện về mặt lý thuất suốt 67 năm cuối cùng cũng lộ diện.

Mặc dù nhóm của Peter Abbamonte không thực hiện nghiên cứu với mục tiêu chứng minh sự tồn tại của một giả hạt như vậy, nhưng Abbamonte khẳng định chắc chắn rằng không phải ngẫu nhiên mà nhóm “tình cờ” phát hiện ra hạt quỷ. 

Nhóm nghiên cứu tin rằng hạt quỷ có thể đóng một vai trò quan trọng trong các hành vi điện tử của nhiều loại kim loại.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.