Các nhà khoa học tình cờ phát hiện 'hạt quỷ', làm sáng tỏ bí ẩn kéo dài suốt 67 năm

Trong quá trình nghiên cứu một loại vật liệu có thể giúp mở khóa những bí mật của chất siêu dẫn, các nhà khoa học đã tình cờ phát hiện ra một 'hạt quỷ' - loại hạt lý thuyết đã tồn tại suốt hơn 67 năm nhưng chưa từng được chứng minh bằng thực nghiệm.

'Hạt quỷ' - hay còn gọi là hạt demon - thực sự là một dạng đặc biệt của hạt electron. Khi chúng di chuyển qua chất rắn, chúng tạo ra các tương tác tập thể động đất, tạo ra các hạt mới có tính chất khác nhau. Điều này làm cho chúng được gọi là quasiparticles.

Một loại đặc biệt của hạt quỷ được gọi là plasmon, xuất hiện khi plasma dao động. Plasmon này có khối lượng và điện tích riêng biệt so với electron. Mặc dù vậy, plasmon được cho là không thể tồn tại ở nhiệt độ bình thường.

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 như nhiều kim loại, thì các plasmon của nó có thể kết hợp với nhau tạo thành một plasmon mới không mang khối lượng cũng không mang điện tích. Ông đặt tên cho plasmon trung tính mới này là 'hạt quỷ'.

Vì hạt này không có khối lượng, David Pines tin rằng nó có thể xuất hiện ở nhiều nhiệt độ, kể cả ở nhiệt độ bình thường. Giả sử rằng những hạt này có thể tồn tại ở mọi nhiệt độ, các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng chúng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi điện tử của chất siêu dẫn, bán dẫn và các vật liệu đặc biệt khác.

Trong 67 năm trôi qua, dự đoán của Pines chỉ dừng lại ở đó - vẫn chỉ là dự đoán. Điều này chủ yếu là do các đặc tính độc đáo của hạt quỷ, khiến cho việc phát hiện nó bằng các phương tiện truyền thống trở nên khó khăn.

Hiện tại, các nhà khoa học tại Đại học Illinois Urbana-Champaign và Đại học Kyoto đã tiến hành những phát hiện trực tiếp đầu tiên về hạt quỷ trong một kim loại có tên là strontium ruthenate.

Peter Abbamonte, người chủ trì nghiên cứu, cho biết: 'Hầu hết các thí nghiệm đã tập trung vào ánh sáng và đo các tính chất quang học, tuy nhiên việc trung hòa điện tử sẽ khiến cho hạt quỷ không tương tác với ánh sáng.

Strontium ruthenate (Sr₂RuO₄ ) là một kim loại rất đáng chú ý 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 lý do vì 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 chuyển giao cho Abbamonte và cựu sinh viên tốt nghiệp Ali Husain để tiến hành nghiên cứu.

Để thực hiện 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 electron bắn vào mẫu kim loại để trực tiếp quan sát các đặc điểm của kim loại, bao gồm bất kỳ plasmon nào hình thành.

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

'Ban đầu, chúng tôi không biết nó là gì', Ali Husain, đồng tác giả của nghiên cứu nói. 'Nhưng, khi chúng tôi loại trừ mọi khả năng, chúng tôi bắt đầu nghi ngờ rằng chúng tôi đã thực sự phát hiện ra hạt quỷ'.

Để khẳng định 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 điều kiện rất cụ thể và không ai chắc chắn liệu strontium ruthenate có chứa hạt quỷ hay không', Huang nói. 'Chúng tôi cần thực hiện tính toán chi tiết để làm sáng tỏ. Khi làm điều này, chúng tôi phát hiện ra một hạt bao gồm hai dải electron dao động lệch pha với độ lớn gần như bằng nhau, tương tự như Pines đã mô tả'.

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

Và thực sự, hạt quỷ chỉ hiện diện về mặt lý thuyết suốt 67 năm cuối cùng cũng đã được phát hiện.

Mặc dù nhóm của Peter Abbamonte không dự định chứng minh sự tồn tại của một giả hạt như vậy, nhưng Abbamonte khẳng định 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 đã được xuất bản trên tạp chí Nature.