Em 1956, o físico teórico David Pines previu que os elétrons em um sólido podem fazer algo estranho. Embora eles normalmente tenham uma massa e uma carga elétrica, Pines afirmou que eles podem se combinar para formar uma partícula composta sem massa, neutra e que não interage com a luz. Ele chamou essa partícula de "demônio". Desde então, especula-se que desempenha um papel importante no comportamento de uma ampla variedade de metais. Infelizmente, as mesmas propriedades que o tornam interessante permitiram que ele escapasse da detecção desde sua previsão.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por Peter Abbamonte, professor de física da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, finalmente encontrou o demônio de Pines 67 anos depois de ter sido previsto. Como relatam os pesquisadores na revista Nature , eles usaram uma técnica experimental fora do padrão que excita diretamente os modos eletrônicos de um material, permitindo que eles vejam a assinatura do demônio no metal rutenato de estrôncio.

"Os demônios foram teoricamente conjecturados por muito tempo, mas os experimentalistas nunca os estudaram", disse Abbamonte. "Na verdade, nem estávamos procurando por ele. Mas descobrimos que estávamos fazendo exatamente a coisa certa e o encontramos."

Uma das descobertas mais importantes da física da matéria condensada é que os elétrons perdem sua individualidade nos sólidos. As interações elétricas fazem com que os elétrons se combinem para formar unidades coletivas. Com energia suficiente, os elétrons podem até formar partículas compostas chamadas plasmons com uma nova carga e massa determinadas pelas interações elétricas subjacentes. No entanto, a massa geralmente é tão grande que os plasmons não podem se formar com as energias disponíveis à temperatura ambiente.

Pines encontrou uma exceção. Se um sólido tem elétrons em mais de uma banda de energia, como muitos metais, ele argumentou que seus respectivos plasmons podem se combinar em um padrão fora de fase para formar um novo plasmon sem massa e neutro: um demônio. Como os demônios não têm massa, eles podem se formar com qualquer energia, portanto podem existir em todas as temperaturas. Isso levou à especulação de que eles têm efeitos importantes sobre o comportamento de metais multibandas.

A neutralidade dos demônios significa que eles não deixam uma assinatura em experimentos padrão de matéria condensada. “A grande maioria dos experimentos é feita com luz e mede propriedades ópticas , mas ser eletricamente neutro significa que os demônios não interagem com a luz”, disse Abbamonte. "Um tipo completamente diferente de experimento era necessário."

Abbamonte lembra que ele e seus colaboradores estavam estudando rutenato de estrôncio por um motivo não relacionado – o metal é semelhante a supercondutores de alta temperatura sem ser um. Na esperança de encontrar pistas de por que o fenômeno ocorre em outros sistemas, eles realizaram o primeiro levantamento das propriedades eletrônicas do metal.

O grupo de pesquisa de Yoshi Maeno, professor de física na Universidade de Kyoto, sintetizou amostras de alta qualidade do metal que Abbamonte e o ex-aluno de pós-graduação Ali Husain examinaram com espectroscopia de perda de energia de elétrons resolvida por momento. Uma técnica fora do padrão, ela usa energia de elétrons disparados no metal para observar diretamente as características do metal, incluindo plasmons que se formam. Enquanto os pesquisadores examinavam os dados, porém, eles encontraram algo incomum: um modo eletrônico sem massa.

Husain, agora um cientista pesquisador da Quantinuum, lembrou: "No começo, não tínhamos ideia do que era. Demônios não estão no mainstream. A possibilidade surgiu no início e basicamente rimos disso. Mas, quando começamos a governar as coisas, começamos a suspeitar que realmente havíamos encontrado o demônio."

Edwin Huang, um bolsista de pós-doutorado de Moore na UIUC e teórico da matéria condensada, acabou sendo solicitado a calcular as características da estrutura eletrônica do rutenato de estrôncio. "A previsão de demônios feita por Pines requer condições bastante específicas, e não ficou claro para ninguém se o rutenato de estrôncio deveria ter um demônio", disse ele. "Tivemos que realizar um cálculo microscópico para esclarecer o que estava acontecendo. Quando fizemos isso, encontramos uma partícula que consiste em duas bandas de elétrons oscilando fora de fase com magnitude quase igual, exatamente como descrito por Pines."

Segundo Abbamonte, não foi por acaso que seu grupo descobriu o demônio "por acaso". Ele enfatizou que ele e seu grupo estavam usando uma técnica pouco empregada em uma substância pouco estudada. O fato de terem encontrado algo inesperado e significativo é consequência de simplesmente tentar algo diferente, acredita ele.

"Isso mostra a importância de apenas medir as coisas", disse ele. "A maioria das grandes descobertas não são planejadas. Você procura em algum lugar novo e vê o que há lá."