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超导材料物理学新发现！物理学家首次在钌酸锶观察到“恶魔”电浆子

已故物理学家大卫‧派恩（David Pines）1965 年预测称为“派恩之恶魔”（Pines′ Demon）的重要量子现象，伊利诺大学（University of Illinois）物理学家 Peter Abbamonte 偶然在名为钌酸锶（Strontium Ruthenate，Sr2RuO4）的新型超导材料发现此现象，代表首次在化学平衡三维金属辨识到。

这是个意外发现，研究团队是 2018 年观察到这激发态，但花了好一段时间才弄清楚是什么，结果证明就是派恩预测的恶魔模式。这其实是种电浆子（在一群电子波动的离散波单位），电浆子描述为量子的类比，类似古典气体的声音。“派恩之恶魔”预计会在许多现象扮演重要角色，如特定类型半金属转变和超导体性质，所以这研究对材料物理学有极重要的意义。研究发表于《自然》期刊。

派恩将这种电浆子命名为“恶魔”是为了纪念提出“麦克斯韦之恶魔”（Maxwell′s Demon）的英国物理学家詹姆斯‧克拉克‧麦克斯韦（James Clerk Maxwell），“麦克斯韦之恶魔”是一种独特的电子运动。

电浆子已在二维金属发现并广泛研究，由于呈电中性，并不与光耦合，很难检测到，新型钌酸锶超导材料遂登场。低温时这种材料表现为超导体，较高温变得有点奇怪，是所谓的坏金属（bad metal），这个时候表现性质就不一定会像期望。

比声子快但比表面电浆子慢，与既有已知准粒子不同的准粒子

物理学家 Ali Husain（论文作者之一，当时任职伊利诺大学，现在加拿大英属哥伦比亚大学）领导的团队表示，这也是辨识恶魔的绝佳选项，有三个嵌套电子能带，其中两个与 1956 年最初恶魔概念有相似对照。

Husain 使用电子能谱仪（electron spectroscopy）研究钌酸锶时，资料发现一些看起来像准粒子（quasiparticle）的东西，亦即一种表现得像粒子的集体激发。虽然已有相当多已知准粒子，但研究员发现的与已知准粒子任一个都不匹配，对音学声子（acoustic phonon）来说太快了，对表面电浆子（surface plasmon）又太慢了。

后续种种分析显示，最有可能就是派恩提出的恶魔;且团队甚至能复制检测。专门针对特性的研究也提出一些问题，如阻尼效应（damping effect）比预期小，并不同电子能带有奇怪的电洞。

随着“派恩之恶魔”有可能在超导体扮演举足轻重的角色，相关研究时机也更成熟，研究员认为，其他多能带金属可能是研究议题、观察在一系列情境下的行为如何变化的绝佳目标，且可使用电子显微镜扫描以研究更高解析度。