1956年，理论物理学家David Pines预言，固体金属中的电子可以表现出一些奇怪的行为。Pines断言，通常情况下具有质量和电荷的电子，可以结合形成一种无质量、电中性，且不与光发生相互作用的复合粒子。他将这些粒子称为“恶魔”。

从那时起，物理学家就推测“恶魔”在各种金属行为中都起到了重要作用。可惜的是，成也“恶魔”败也“恶魔”，那些使它们奇特的特性也使得它们非常难以被实验捕捉。自被预言以来，实验物理学家从未真正研究过它们。

现在，在Pines的预言过去了67年后，一组实验物理学家终于找到了这种奇特的“恶魔”！通过使用一种非标准的实验技术，他们直接激发了一种材料的电子模式，在金属钌酸锶（Sr₂RuO₄）中看到了这种复合粒子存在的迹象。这一发现已经被发表在近期的《自然》杂志中。

难以捉摸的恶魔

在凝聚态物理学中，最重要的发现之一就是电子在固体中会失去其个体性，电相互作用会使电子结合形成集体单元。

当能量足够时，这些电子甚至可以形成一种被称为等离体子的复合粒子，这种粒子将具有新的电荷和质量，具体值取决于潜在的电相互作用。不过通常情况下，等离体子在室温能量下是无法形成的，因为质量太大。

然而，Pines发现了一个例外。他认为，如果一种固体拥有多个能带的电子，那么它们各自的等离体子就能够以一种异相的模式结合，形成一个新的无质量的、电中性的“恶魔”等离体子。

由于“恶魔”没有质量，因此它们能够以任何能量形成，并可能存在于任何温度下。这使得物理学家推测，“恶魔”对多波段金属的行为都有重要影响。

恶魔的电中性意味着它们不会在标准的凝聚态物理学实验中留下痕迹。因为绝大多数的凝聚态实验都是用光来完成的，测量的是光学特性，而电中性的“恶魔”则会使它不与光发生任何相互作用。因此，探测“恶魔”需要进行完全不同的实验。

一个偶然的发现

和许多伟大的发现一样，这次的突破也源于偶然。据研究人员回忆，他们之所以研究钌酸锶，是出于一个与恶魔毫无关系的原因——这种金属与高温超导体相似，但它又不是高温超导体。为了分析为什么会出现这种现象，他们对这种金属的电子特性展开了调查。

研究人员合成了高质量的钌酸锶金属样品，并使用动量分辨电子能量损失能谱法对其进行了检测。这是一种非标准技术，它利用来自射入金属的电子的能量，直接观测金属的特征，比如形成的等离体子。

这次，当研究人员查看数据时，发现了一些不寻常的东西：一个没有质量的电子模。一开始，他们无法判断这到底是什么。但随着研究的深入，他们逐个排除种种可能性，开始怀疑这可能就是Pines早就预言过的“恶魔”。

此外，他们通过微观计算，描绘了钌酸锶的电子结构特征，发现了一个由两个电子能带组成的粒子，它们以几乎相等的振幅异相振荡，正如Pines所描述的那样。

测量的重要性

研究人员表示，虽然“恶魔”的发现源于偶然，但实验结果是确凿无疑的。另外，他们强调，在这项研究中，他们使用的是一种尚未被广泛应用的技术，观测的对象也是一种尚未得到充分研究的物质，这凸显了开展实验测量的重要性。他们认为，之所以能做出这样的意想不到的重要发现，要归功于对不同事物的尝试。正如大多数重大发现都是没有提前计划的那样，一些新的尝试可能会带来新的惊喜。

参考来源：

https://phys.org/news/2023-08-demon-physicists-year-old-massless-neutral.html

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8

封面图&首图：DigitalDimensions / Pixabay