最初に予測されてから約70年後、科学者たちがとらえどころのない「悪魔の粒子」を発見 – それは超伝導体の「聖杯」になる可能性がある

科学者たちは、物理学の「聖杯」である室温で電気を伝導する超伝導体につながる可能性のある「悪魔の粒子」を発見した。

超電導体は、抵抗なしで電気を通すことができる特定の金属または合金ですが、温度は華氏 100 度未満から氷点まででなければなりません。

イリノイ大学の研究者らは最近、鉱物ルテニウム酸ストロンチウムの中に質量を持たない、つまりどんな温度でも形成できる粒子を特定した――「悪魔」がそれを予言してからほぼ70年後。

超電導体は高架電車や高解像度磁気共鳴画像法（MRI）装置などのプロセスで使用されていますが、室温で動作する材料はより強力なコンピューターへの道を開くことになります。

現在の超電導体は、抵抗なく電気を通し、液体窒素で冷たく保たれるために、凝固点が華氏 100 度以下でなければなりません。

超伝導は、華氏マイナス 452 度の液体ヘリウムの温度まで冷却された水銀中で 100 年以上前に発見されました。

水銀での超伝導の発見後、この現象は他の材料でも非常に低温で観察されるようになりました。

材料には、ワイヤーに簡単に作ることができるいくつかの金属およびニオブとチタンの合金が含まれていました。

この悪魔のような粒子は、1956 年に理論物理学者のデイビッド ベインズによって初めて予測されました。ベインズは、電子が固体中を移動するときに「奇妙な」相互作用を起こすと信じていました。

電気的相互作用によって電子が結合して集団単位を形成するため、固体では電子はその個性を失う可能性があります。

十分なエネルギーがあれば、電子は基本的な電気相互作用によって決定される新しい電荷と質量を持つプラズモンと呼ばれる複合粒子を形成できます。

ただし、質量は通常、室温で利用可能なエネルギーではプラズモンを形成するには大きすぎるため、ベインズ氏はこれには例外があると仮説を立てました。

物理学者は、多くの金属のように、固体が複数のエネルギー帯の電子を持っている場合、プラズモンが位相をずらしたパターンで結合して、新しい質量のない中性プラズモン、つまり悪魔を形成する可能性があると主張しました。

悪魔には質量がないため、あらゆるエネルギーで形成でき、あらゆる温度で存在できます。

しかし、特定の鉱物で偶然発見されたとらえどころのない悪魔の粒子は質量がなく、どの温度でも形成できることを意味します。 写真は悪魔の粒子のモデルです

このことから、それらがマルチスケール鉱物の挙動に根本的な影響を及ぼしているのではないかという推測が生まれています。

この発見は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の物理学教授ピーター・アバモンテ率いる研究者チームによって行われ、ルテニウム酸ストロンチウムという鉱物の研究中にベインズ氏の予測をマッピングした。

この実験は超伝導体とは関係ありませんでしたが、この金属は高温超伝導体ではなく、高温超伝導体のようなものです。

研究者らは、金属に電子を照射し、金属の特徴の中にある悪魔を呼び出すことによって、金属の電子的特性の最初のスキャンを行っていました。

アバモンテ氏は元大学院生のアリ・フセイン氏とこのプロジェクトに取り組んでいたが、彼はこう語った。

悪魔は主流ではありません。 その可能性は早い段階で現れましたが、私たちは基本的にそれを笑いました。

「しかし、物事を排除し始めると、本当に悪魔を見つけたのではないかと疑い始めました。」

UIUC のムーア博士研究員で凝縮物質理論家のエドウィン・ファンは、最終的にルテニウム酸ストロンチウムの電子構造の特徴を計算するよう依頼されました。

パインズによる悪魔の予測にはかなり特殊な条件が必要であり、ルテニウム酸ストロンチウムに悪魔が存在するべきかどうかは誰にも明らかではなかった、とフアン氏は述べた。

何が起こっているのかを解明するには、微視的な計算を行う必要がありました。 その結果、Baines が説明したとおり、ほぼ同じ強度で位相をずらして振動する 2 つの電子バンドで構成される粒子が見つかりました。