Демон Пайнса

В конденсированного состояния физике демон Пайнса или просто демон — это коллективное возбуждение электронов, которое соответствует электронам в разных энергетических диапазонах , движущимся в противофазе друг с другом. Эквивалентно демону соответствуют встречные токи электронов из разных зон. Назван в честь Дэвида Пайнса , придумавшего этот термин в 1956 году. ^{[ 1 ]} Демоны — это квантово-механические возбужденные состояния вещества, принадлежащие к более широкому классу экзотических коллективных возбуждений , таких как магнон , фазон или экситон . Демон Пайнса был впервые экспериментально обнаружен в 2023 году А. А. Хусейном и др. ^{[ 2 ]} в составе оксида переходного металла дистронция рутената (Sr ₂ RuO ₄ ).

История

Первоначально теория о демонах была высказана Дэвидом Пайнсом в 1956 году. ^{[ 1 ]} в контексте многозонных металлов с двумя энергетическими зонами: тяжелая электронная зона с большой эффективной массой $m_{d}$ и легкая электронная зона с эффективной массой $m_{s}$ . В пределе $m_{d}\gg m_{s}$ , две зоны кинематически развязаны, поэтому электроны в одной зоне не могут рассеиваться в другую зону, сохраняя при этом импульс и энергию. В этом пределе Пайнс отметил, что две полосы можно рассматривать как два разных вида заряженных частиц, так что становится возможным, чтобы возбуждения двух полос были либо синфазными , либо противофазными друг другу. Синфазное возбуждение двух полос не было новым типом возбуждения, это было просто плазмонное возбуждение, предложенное ранее Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом в 1952 году. ^{[ 3 ]} что объяснило пики, наблюдаемые в ранних спектрах потерь энергии электронов твердых тел. ^{[ 4 ]} Противофазное , поскольку он считал, что Максвелл «жил слишком рано , возбуждение было названо Пайнсом «демоном» в честь Джеймса Клерка Максвелла чтобы назвать частицу или возбуждение в его честь». ^{[ 1 ]} Пайнс объяснил свою терминологию, сделав этот термин наполовину бэкронимом, потому что частицы обычно имеют суффикс «-on», а возбуждение включает в себя отчетливое движение электронов, что приводит к DEMon, или для краткости просто демону.

Исторически демона называли акустическим плазмоном. ^{[ 5 ]} из-за его бесщелевой природы, которая также присуща акустическим фононам . Однако с появлением двумерных материалов (таких как графен ) и поверхностных плазмонов термин акустический плазмон приобрел совершенно иное значение, чем обычный плазмон в низкоразмерной системе. Такие акустические плазмоны отличаются от демона тем, что они не состоят из противофазных токов разных зон, не существуют в объемных материалах и в отличие от демона взаимодействуют со светом. Более детальное сравнение плазмонов и демонов показано в таблице ниже.

Демоническое возбуждение, в отличие от плазмонного, было открыто лишь много десятилетий спустя, в 2023 году, А.А. Хусейном и др. ^{[ 2 ]} в нетрадиционном сверхпроводящем материале Sr ₂ RuO ₄ с использованием варианта спектроскопии электронных потерь энергии высокого разрешения с разрешением по импульсу .

Связь с плазмоном

Плазмон — это квантованная вибрация плотности заряда в материале, где все электронные полосы движутся синфазно . Плазмон также является массивным (т.е. имеет энергетическую щель) в объемных материалах из-за затрат энергии, необходимой для преодоления дальнодействующего кулоновского взаимодействия, причем стоимость энергии равна плазменной частоте. $\omega _{p}$ . Плазмоны существуют во всех проводящих материалах и играют доминирующую роль в формировании диэлектрической функции металла на оптических частотах. Исторически плазмоны были обнаружены еще в 1941 г. Г. Рутеманом. ^{[ 6 ]} Поведение плазмонов имеет широкое применение, поскольку они играют роль инструмента биологической микроскопии ( микроскопия поверхностного плазмонного резонанса ), плазмонной электроники ( плазмоника ) и лежат в основе оригинальной формулировки линии передачи с плазмонным соединением на поверхности. ( Трансмон ) устройство, которое сейчас используется в сверхпроводящих кубитах для квантовых вычислений .

С другой стороны, демоническое возбуждение имеет ряд ключевых отличий от плазмона (и акустического плазмона), как показано в таблице ниже.


Характеристика	Демон	Плазмон
Структура группы	Присутствует только в многозонных металлах и четко выражен только тогда, когда полосы в некоторой степени разделены.	Присутствует как в однозонных, так и в многозонных металлах.
Размерность	Не привязан к конкретной размерности	Имеет зазоры в трехмерных материалах, но без зазоров в материалах более низких размеров, таких как графен , в качестве акустического поверхностного плазмона .
дальнего действия E -поле	Нет	Да
Способствует $\epsilon (\omega )$	Нет	Да, доминирующий вклад на оптических частотах
Подключение к свету	Нет прямой связи со светом	Может соединяться со светом и даже гибридизироваться с ним при определенных условиях ( поляритоны ).
Энергетический разрыв	Безщелевой (или безмассовый) – отсутствие затрат энергии на длинных волнах.	Разрыв в объемных материалах из-за дальнодействующего кулоновского взаимодействия .
Энергетическая шкала	Распространяется в масштабе $\omega \sim v_{f}k$	Разрыв с дисперсией $\omega \sim \omega _{p}+O(k^{2})$
Роль в физике низких энергий и фазовых переходах	Демоны могут играть более непосредственную роль в физике низких энергий (например, сверхпроводимости) из-за их безмассовой природы.	Плазмоны, как правило, не играют роли в физике низких энергий из-за своей энергетической щели.

Теоретическая значимость

Ранние исследования демона в контексте сверхпроводимости ^{[ 5 ]} показал, в соответствии с двухзонной картиной, представленной Пайнсом, что сверхпроводящее спаривание полосы легких электронов может быть усилено за счет существования демонов, в то время как спаривание тяжелых электронов останется более или менее незатронутым. Подразумевается, что демоны позволят оказывать орбитально-селективное воздействие на сверхпроводящие пары. Однако для простого случая сферически симметричных металлов с двумя зонами естественная реализация сверхпроводимости с помощью демонов казалась маловероятной, поскольку тяжелые (d-)электроны играют доминирующую роль в сверхпроводимости большинства рассматриваемых в то время переходных металлов. Однако более поздние исследования высокотемпературных сверхпроводящих гидридов металлов, где легкие электронные полосы участвуют в сверхпроводимости, предполагают, что демоны могут играть активную роль в таких системах. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Пайнс, Дэвид (1 декабря 1956 г.). «Взаимодействие электронов в твердых телах» . Канадский физический журнал . 34 (12А): 1379–1394. Бибкод : 1956CaJPh..34.1379P . дои : 10.1139/стр56-154 . ISSN 0008-4204 .
^ Jump up to: ^а ^б Хусейн, Али А.; Хуанг, Эдвин В.; Митранус, Мэтью; Рак, Мелинда С.; Рубек, Саманта И.; Го, Сюэфэй; Ян, Хонбин; Сое, Литтл; доктор Йошитер; Учоа, Бруно; Чан, Тай К.; Бэтсон, Филип Э.; Филлипс, Филип В.; Аббамонте, Питер (9 августа 2023 г.). «Демон Пайнса наблюдался как трехмерный акустический плазмон в Sr2RuO4» . Природа : 1–5. дои : 10.1038/s41586-023-06318-8 . hdl : 2433/284976 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 37558882 . S2CID 260773165 .
^ Пайнс, Дэвид; Бом, Дэвид (15 января 1952 г.). «Коллективное описание электронных взаимодействий: II. Коллективные $\mathrm{vs}$ индивидуальные аспекты взаимодействий частиц» . Физический обзор . 85 (2): 338–353. дои : 10.1103/PhysRev.85.338 .
^ Пайнс, Дэвид (1 июля 1956 г.). «Коллективные потери энергии в твердых телах» . Обзоры современной физики . 28 (3): 184–198. Бибкод : 1956РвМП...28..184П . дои : 10.1103/RevModPhys.28.184 .
^ Jump up to: ^а ^б Им, Дж.; Коэн, Марвин Л.; Туан, Сан-Франциско (1 апреля 1981 г.). «Демоны и сверхпроводимость» . Физический обзор B . 23 (7): 3258–3266. Бибкод : 1981PhRvB..23.3258I . дои : 10.1103/PhysRevB.23.3258 .
^ Рутеманн, Г. (1 октября 1941 г.). «Дискретные потери энергии быстрых электронов в твердых телах» . Естественные науки (на немецком языке). 29 (42): 648. Бибкод : 1941NW.....29..648R . дои : 10.1007/BF01485870 . ISSN 1432-1904 . S2CID 36015557 .
^ Акаши, Рёске; Арита, Рётаро (15 июня 2014 г.). «Теория функционала плотности плазмонной сверхпроводимости» . Журнал Физического общества Японии . 83 (6): 061016. arXiv : 1401.1578 . Бибкод : 2014JPSJ...83f1016A . дои : 10.7566/JPSJ.83.061016 . ISSN 0031-9015 . S2CID 118399249 .
^ Рувальдс, Дж. (октябрь 1981 г.). «Существуют ли акустические плазмоны?» . Достижения физики . 30 (5): 677–695. Бибкод : 1981AdPhy..30..677R . дои : 10.1080/00018738100101427 . ISSN 0001-8732 .
^ Пашицкий Е.А.; Пентегов, В.И.; Семенов, А.В. (01.01.2022). «Возможность существования анизотропных акустических плазмонов в LaH10 и их роль в повышении критической температуры сверхпроводящего перехода» . Физика низких температур . 48 (1): 26–31. Бибкод : 2022LTP....48...26P . дои : 10.1063/10.0008960 . ISSN 1063-777X . S2CID 246200679 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с Пайнс, Дэвид (1 декабря 1956 г.). «Взаимодействие электронов в твердых телах» . Канадский физический журнал . 34 (12А): 1379–1394. Бибкод : 1956CaJPh..34.1379P . дои : 10.1139/стр56-154 . ISSN 0008-4204 .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б Хусейн, Али А.; Хуанг, Эдвин В.; Митранус, Мэтью; Рак, Мелинда С.; Рубек, Саманта И.; Го, Сюэфэй; Ян, Хонбин; Сое, Литтл; доктор Йошитер; Учоа, Бруно; Чан, Тай К.; Бэтсон, Филип Э.; Филлипс, Филип В.; Аббамонте, Питер (9 августа 2023 г.). «Демон Пайнса наблюдался как трехмерный акустический плазмон в Sr2RuO4» . Природа : 1–5. дои : 10.1038/s41586-023-06318-8 . hdl : 2433/284976 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 37558882 . S2CID 260773165 .

[3] Пайнс, Дэвид; Бом, Дэвид (15 января 1952 г.). «Коллективное описание электронных взаимодействий: II. Коллективные $\mathrm{vs}$ индивидуальные аспекты взаимодействий частиц» . Физический обзор . 85 (2): 338–353. дои : 10.1103/PhysRev.85.338 .

[4] Пайнс, Дэвид (1 июля 1956 г.). «Коллективные потери энергии в твердых телах» . Обзоры современной физики . 28 (3): 184–198. Бибкод : 1956РвМП...28..184П . дои : 10.1103/RevModPhys.28.184 .

[:2-5] Jump up to: ^а ^б Им, Дж.; Коэн, Марвин Л.; Туан, Сан-Франциско (1 апреля 1981 г.). «Демоны и сверхпроводимость» . Физический обзор B . 23 (7): 3258–3266. Бибкод : 1981PhRvB..23.3258I . дои : 10.1103/PhysRevB.23.3258 .

[6] Рутеманн, Г. (1 октября 1941 г.). «Дискретные потери энергии быстрых электронов в твердых телах» . Естественные науки (на немецком языке). 29 (42): 648. Бибкод : 1941NW.....29..648R . дои : 10.1007/BF01485870 . ISSN 1432-1904 . S2CID 36015557 .

[7] Акаши, Рёске; Арита, Рётаро (15 июня 2014 г.). «Теория функционала плотности плазмонной сверхпроводимости» . Журнал Физического общества Японии . 83 (6): 061016. arXiv : 1401.1578 . Бибкод : 2014JPSJ...83f1016A . дои : 10.7566/JPSJ.83.061016 . ISSN 0031-9015 . S2CID 118399249 .

[8] Рувальдс, Дж. (октябрь 1981 г.). «Существуют ли акустические плазмоны?» . Достижения физики . 30 (5): 677–695. Бибкод : 1981AdPhy..30..677R . дои : 10.1080/00018738100101427 . ISSN 0001-8732 .

[9] Пашицкий Е.А.; Пентегов, В.И.; Семенов, А.В. (01.01.2022). «Возможность существования анизотропных акустических плазмонов в LaH10 и их роль в повышении критической температуры сверхпроводящего перехода» . Физика низких температур . 48 (1): 26–31. Бибкод : 2022LTP....48...26P . дои : 10.1063/10.0008960 . ISSN 1063-777X . S2CID 246200679 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]