Il demone di Pines osservato come un plasmone acustico 3D in Sr2RuO4

Natura (2023) Cita questo articolo

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L'eccitazione caratteristica di un metallo è il suo plasmone, che è un'oscillazione collettiva quantizzata della sua densità elettronica. Nel 1956, David Pines predisse che un tipo distinto di plasmone, soprannominato "demone", poteva esistere nei metalli tridimensionali (3D) contenenti più di una specie di portatore di carica1. Costituiti da movimenti sfasati di elettroni in bande diverse, i demoni sono acustici, elettricamente neutri e non si accoppiano alla luce, quindi non sono mai stati rilevati in un metallo 3D in equilibrio. Tuttavia, si ritiene che i demoni siano fondamentali per diversi fenomeni, tra cui le transizioni di fase nei semimetalli a valenza mista2, le proprietà ottiche delle nanoparticelle metalliche3, i soundaron nei semimetalli Weyl4 e la superconduttività ad alta temperatura, ad esempio, negli idruri metallici3,5,6,7. Qui, presentiamo la prova di un demone in Sr2RuO4 dalla spettroscopia di perdita di energia elettronica risolta in momento. Formato da elettroni nelle bande β e γ, il demone è gapless con momento critico qc = 0,08 unità reticolari reciproche e velocità a temperatura ambiente v = (1,065 ± 0,12) × 105 m s−1 che subisce una rinormalizzazione del 31% dopo il raffreddamento a 30 K a causa dell'accoppiamento al continuo particella-buca. La dipendenza dall'impulso dell'intensità del demone conferma il suo carattere neutrale. Il nostro studio conferma una previsione vecchia di 67 anni e indica che i demoni potrebbero essere una caratteristica pervasiva dei metalli multibanda.

Proposti nel 1952 da Pines e Bohm8, i plasmoni furono osservati per la prima volta in esperimenti di diffusione anelastica di elettroni9 e furono uno dei primi esempi confermati di fenomeni collettivi nei solidi. Landau si riferiva ai plasmoni come al “suono zero”, sottolineando che sono l'analogo quantistico del suono acustico in un gas classico10. Tuttavia, a differenza del suono ordinario, la cui frequenza tende verso zero con momento zero, q (cioè quando la sua lunghezza d'onda si avvicina all'infinito), i plasmoni, tranne che nei sistemi di dimensione inferiore, costano un'energia finita per essere eccitati, poiché la creazione di un'oscillazione di densità richiede il superamento l'interazione di Coulomb a lungo raggio1,8. La frequenza del plasma, ωp, nei metalli ordinari varia da 15 eV in Al (rif. 11) a 20 eV in Cu (rif. 12).

Nel 1956, Pines predisse che era possibile creare un'eccitazione plasmonica senza alcun costo energetico di Coulomb1. La nuova modalità collettiva, soprannominata “demone”, si verifica quando gli elettroni in bande diverse si spostano fuori fase, determinando così nessun trasferimento netto di carica ma una modulazione nell’occupazione della banda. Un demone può essere pensato come un modo collettivo di quasiparticelle neutre la cui carica è stata completamente schermata dagli elettroni in una banda separata. Applicando l'approssimazione di fase casuale (RPA), Pines ha sostenuto che la frequenza di un modo demoniaco, ω, dovrebbe scalare come \(\omega \appross q\), annullandosi come \(q\to 0\) (rif. 1).

Sorprendentemente, sebbene ampiamente discusso nella letteratura teorica1,2,5,6,13,14,15, non sembra esserci alcuna conferma sperimentale della presenza di un demone in un metallo 3D, anche 67 anni dopo la sua previsione. I plasmoni acustici sono stati ampiamente studiati nei metalli bidimensionali (2D)16,17,18,19, in cui i plasmoni convenzionali monocomponenti sono gapless20. Plasmoni a bassa energia sono stati segnalati anche in metalli 3D stratificati a q = π/d (d è la spaziatura degli strati), per lo più recentemente mediante tecniche di diffusione anelastica risonante di raggi X21,22, sebbene queste eccitazioni si disperdano in ωp a q = 0 quindi non sono acustici23. Una volta è stato segnalato un demone nel GaAs fotoeccitato, sebbene l'effetto fosse solo transitorio24. Un vero demone, che consiste nel movimento sfasato di fluidi elettronici distinti e rimane acustico come \(q\to 0\) in un sistema 3D, non è stato ancora segnalato.

Se si dimostrasse sperimentalmente l’esistenza dei demoni, sarebbe sicuramente necessaria una teoria adeguata dei demoni a molti corpi, che incorpori l’idrodinamica e gli effetti oltre l’RPA.

Ciò che rende i demoni difficili da individuare è la loro intrinseca neutralità di carica. Le correnti sfasate dei due fluidi elettronici si annullano esattamente come \(q\to 0\), estinguendo la parte a lungo raggio dell'interazione di Coulomb. Per questo motivo un demone non ha segnatura nella funzione dielettrica di un metallo, \(\varepsilon (q,\omega )\), nel limite di q piccolo, e non si accoppia alla luce. Il modo più promettente per rilevare un demone è misurare le eccitazioni di un metallo multibanda a q diverso da zero, dove un demone modula la densità e può essere osservabile sperimentalmente utilizzando tecniche di spettroscopia elettronica a perdita di energia (EELS) che osservavano originariamente i plasmoni9.