La sorprendente detección del demonio de Pines, una partícula que no interactúa con la luz

A mediados del siglo pasado, el físico teórico David Pines predijo que los electrones podían comportarse de manera extraña en ciertas condiciones. Si bien normalmente tienen masa y carga eléctrica, Pines afirmó que pueden combinarse para formar una partícula compuesta sin masa, neutra y que no interactúa con la luz. Llamó a esta partícula “demonio”. Desde entonces, se ha especulado que desempeña un papel importante en el comportamiento de una amplia variedad de metales. Desafortunadamente, las mismas propiedades que lo hacen interesante le han permitido eludir la detección desde su predicción.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Peter Abbamonte, profesor de física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, finalmente encontró al demonio de Pines 67 años después de lo predicho. Como acaban de informar los investigadores en la revista Nature, para lograr su cometido utilizaron una técnica experimental no estándar que excita directamente los modos electrónicos de un material, lo que les permite ver el comportamiento de la partícula. “Los demonios han sido conjeturados teóricamente durante mucho tiempo, pero los experimentadores nunca los estudiaron -informó Abbamonte-. De hecho, ni siquiera lo estábamos buscando. Pero resultó que estábamos haciendo exactamente lo correcto y lo encontramos”.

Uno de los descubrimientos más importantes de la física de la materia condensada es que los electrones pierden su individualidad en los sólidos. Las interacciones eléctricas hacen que los electrones se combinen para formar unidades colectivas. Con suficiente energía, los electrones pueden incluso formar partículas compuestas llamadas plasmones con una nueva carga y masa determinadas por las interacciones eléctricas subyacentes. Sin embargo, la masa suele ser tan grande que los plasmones no pueden formarse con las energías disponibles a temperatura ambiente.

Pines encontró una excepción. Si un sólido tiene electrones en más de una banda de energía, como muchos metales, argumentó que sus respectivos plasmones pueden combinarse en un patrón fuera de fase para formar uno nuevo sin masa y neutral: un demonio. Dado que estos no tienen masa, pueden formarse con cualquier energía, por lo que pueden existir a todas las temperaturas. Esto ha llevado a especular que tienen efectos importantes en el comportamiento de los metales multibanda.

La neutralidad de los demonios significa que no dejan una firma en los experimentos estándar de materia condensada. “La gran mayoría de los experimentos se realizan con luz y miden las propiedades ópticas, pero ser eléctricamente neutro significa que los demonios no interactúan con la luz —dijo Abbamonte—. Se necesitaba un tipo de experimento completamente diferente”.

La búsqueda fortuita

Abbamonte recuerda que él y sus colaboradores estaban estudiando el rutenato de estroncio por una razón no relacionada: el metal es similar a los superconductores de alta temperatura sin serlo. Con la esperanza de encontrar pistas sobre por qué ocurre el fenómeno en otros sistemas, estaban realizando el primer estudio de las propiedades electrónicas del metal.

El grupo de investigación de Yoshi Maeno, profesor de física en la Universidad de Kyoto, sintetizó muestras de alta calidad del metal que Abbamonte y el ex estudiante graduado Ali Husain examinaron con espectroscopía de pérdida de energía de electrones resuelta por momento. Una técnica no estándar que utiliza la energía de los electrones disparados al metal para observar directamente las características del metal, incluidos los plasmones que se forman. Sin embargo, mientras los especialistas analizaban los datos, encontraron algo inusual: un modo electrónico sin masa.

Husain, ahora investigador científico en Quantinuum, recordó: “al principio, no teníamos idea de qué se trataba. Los demonios no están en la corriente principal. La posibilidad surgió desde el principio, y básicamente nos reímos de ella. Pero, cuando comenzamos a analizar las cosas, comenzamos a sospechar que realmente habíamos encontrado al demonio”.

Finalmente, se le pidió a Edwin Huang, becario postdoctoral de Moore en la UIUC y teórico de la materia condensada, que calculara las características de la estructura electrónica del rutenato de estroncio. “La predicción de demonios de Pines requiere condiciones bastante específicas, y no estaba claro para nadie si esa sustancia debería tener un demonio —indicó—. Tuvimos que realizar un cálculo microscópico para aclarar lo que estaba pasando. Cuando lo hicimos, encontramos una partícula que constaba de dos bandas de electrones que oscilaban fuera de fase con una magnitud casi igual, tal como lo describió Pines”.

Según Abbamonte, no fue casualidad que su grupo descubriera al demonio. Hizo hincapié en que él y su grupo estaban usando una técnica que no se emplea mucho en una sustancia que no ha sido bien estudiada. Que hayan encontrado algo inesperado y significativo es una consecuencia de simplemente intentar algo diferente. “Este hecho habla de la importancia de solo medir cosas. La mayoría de los grandes descubrimientos no están planeados”, concluyó.