Een deeltje dat Pines’ demon wordt genoemd, is gezien in een supergeleider, tientallen jaren nadat het voor het eerst werd voorspeld.

Er is een mysterieus deeltje ontdekt in een supergeleidend kristal, meer dan zestig jaar nadat het voor het eerst werd voorspeld. Het deeltje, dat het ‘demon van Pines’ wordt genoemd, kan verklaren waarom sommige materialen supergeleidend zijn. Dat wil zeggen dat deze materialen geen elektrische weerstand hebben.

Het deeltje is een soort plasmon, zo genoemd omdat het ontstaat in verzamelingen geladen deeltjes die ook in plasma’s worden gezien. In metalen kunnen plasmonen ontstaan uit elektronen die zich vrij van hun atoom kunnen bewegen. Het zijn collectieve trillingen van die elektronen, die zich gedragen alsof ze een deeltje zijn. Daarom worden ze quasideeltjes‘ genoemd. Ze spelen een sleutelrol in de manier waarop metalen licht reflecteren en absorberen.

Wanneer presteert het brein op de toppen van zijn kunnen?
LEES OOK

Wanneer presteert het brein op de toppen van zijn kunnen?

Wat voor rol speelt zoiets als dagritme, of leeftijd, in het functioneren van het brein? En hoe kunnen we daar optimaal gebruik van maken?

Ongewone eigenschappen

Een specifiek soort plasmon dat ontstaat wanneer twee verzamelingen plasmonen niet met elkaar in de pas trillen, werd voor het eerst voorgesteld door natuurkundige David Pines in 1956. Hij noemde het een demon, een afkorting van distinct electron motion, met daaraan de typische uitgang -on om te laten zien dat het om een deeltje gaat.

Pines voorspelde dat het demon ongewone eigenschappen zou hebben: het is onzichtbaar voor licht, elektrisch neutraal, en zou zich net zo gedragen als geluid. Deze eigenschappen kunnen een reeks slecht begrepen fenomenen helpen verklaren, zoals supergeleiding en de interactie van metalen nanodeeltjes met licht. Maar de onzichtbaarheid voor licht van het demon maakte het nogal ongrijpbaar.

Nu hebben natuurkundige Peter Abbamonte van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign in de Verenigde Staten en zijn collega’s de kenmerken van het demon van Pines ontdekt in een supergeleidend kristal van strontiumruthenaat. Ze beschreven de ontdekking in het wetenschappelijk vakblad Nature. ‘Deze fundamentele excitatie in materialen had waarschijnlijk al een halve eeuw bestudeerd moeten worden, maar niemand had er ooit een gezien’, zegt Abbamonte.

Demonen zijn niet zeldzaam

Om het demon te vinden, kaatsten Abbamonte en zijn team elektronen op het kristal, en maten met een zeer hoge precisie hoe de energie van het elektron daarbij toe- of afnam. Ze konden deze kleine energieverandering vervolgens gebruiken om de impuls van het demon in het kristal te berekenen. Ze ontdekten dat dit nauwkeurig overeenkwam met de voorspellingen van Pines.

Zulke demonen zouden in veel meer andere metalen moeten bestaan, zegt Abbamonte. Het enige vereiste is dat een metaal twee populaties elektronen met verschillende energieën moet hebben die op verschillende frequenties trillen. Dat is een eigenschap die in veel materialen voorkomt, waaronder ook de lanthaanhydriden, een klasse van hogetemperatuursupergeleiders. ‘Demonen zijn niet zeldzaam’, zegt Abbamonte. ’Ik denk dat ze in veel dingen voorkomen, we hebben ze alleen nog niet gezien omdat we niet de juiste metingen hebben gedaan.’

Supergeleider bij kamertemperatuur

Pines’ demon kan ook een mogelijke verklaring zijn voor hoe supergeleiding ontstaat. Het conventionele idee, BCS-theorie genaamd, suggereert dat elektronen paren kunnen vormen, die kunnen bewegen zonder weerstand. Men denkt dat deze elektronenparen elkaar voelen via quasideeltjes van geluid, fononen genaamd. Maar sommigen onderzoekers denken dat ze ook met elkaar kunnen communiceren via het demon van Pines. Het feit dat strontiumruthenaat ook een supergeleider is, zou hiervoor een aanwijzing kunnen zijn, zegt Abbamonte.

Helaas zal de ontdekking van het demon van Pines waarschijnlijk geen licht werpen op LK-99, een materiaal waarvan wordt beweerd dat het een supergeleider bij kamertemperatuur is. Dat komt doordat LK-99 geen zogeheten BCS-supergeleider lijkt te zijn, en het demon van Pines alleen binnen deze theorie wordt verwacht. ‘Ik weet niet of [LK-99] supergeleidend is of niet, maar het kind in mij wil dat wel graag’, zegt Abbamonte.