1956년에 David Pines는 팬텀을 공식화했습니다. 그는 서로를 중화시켜 개별 파도가 썰물과 흐름을 겪을 때에도 전체 바다를 움직이지 않게 만들 수 있는 전기 파문의 바다가 존재한다고 예측했습니다. 파인스의 악마로 알려지게 된 이상한 현상은 전기적으로 중성이기 때문에 빛에 보이지 않습니다. 즉, 감지하기 어렵다는 뜻입니다.
수십 년에 걸쳐 물리학자들은 악마의 변종을 엿볼 수 있었습니다. 그러나 금속 블록의 전자에서 자연적으로 발생하는 Pines의 원래 악마는 감지되지 않았습니다.
이제 일리노이 대학의 물리학자 팀인 Urbana-Champaign이 Pines의 악마를 발견한 것으로 보입니다. 연구팀은 물질에 부딪힐 때 전자를 정확하게 추적하는 기술을 개선한 후 전자 떼를 통해 파문을 일으키는 일련의 주기파를 생성하고 감지했습니다. 물리학자들이 "모드"라고 부르는 이러한 파동은 Pines의 계산과 거의 일치합니다. 연구자들은 Nature에 자신의 연구 결과를 자세히 설명했습니다. 8월.
Rutgers University의 이론 물리학자인 Piers Coleman은 "이러한 모드는 70년 동안 볼 수 없었습니다."라고 말했습니다. 하지만 이 새로운 실험은 어떻게든 "이러한 악마 모드를 선택합니다."
악마를 상상해 보세요
1950년대는 금속 내 전자 연구의 붐 시대였습니다. 물리학자들은 이미 전자가 서로 밀어내는 경향을 무시하고 마치 전자가 일종의 자유 흐름 가스를 형성하는 것처럼 집합적으로 취급하는 단순한 이론을 개발했습니다. 1952년에 Pines와 그의 고문인 David Bohm은 한 단계 더 나아갔습니다. 이 "전자 가스" 이론에 전자 상호 작용을 추가한 후, 그들은 전자가 어떤 곳에서는 뭉쳐지고 다른 곳에서는 퍼질 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 클러스터링 전자는 더 높은 밀도와 더 낮은 밀도(따라서 더 높은 전하 영역과 더 낮은 전하 영역)가 교대로 나타나는 깔끔한 파동을 형성했습니다.
높은 밀도와 낮은 밀도의 영역이 교대로 나타나는 전자 파동(파란색).
Merrill Sherman/Quanta 매거진
Pines는 새로운 이론을 더욱 발전시켰다. 그는 각각 다른 유형의 하전 입자로 만들어진 두 가지 가스를 포함하는 물질을 상상했습니다. 구체적으로 그는 "무거운" 전자와 "가벼운" 전자를 가진 금속을 상상했습니다. (이론상 모든 전자는 동일하지만 실제 세계에서 측정 가능한 특성은 환경에 따라 다릅니다.) Pines는 첫 번째 가스의 파동이 두 번째 가스의 파동을 중화할 수 있음을 발견했습니다. 무거운 전자가 모이는 곳에서는 가벼운 전자가 얇아집니다. 그런 다음 무거운 전자 클러스터가 분산됨에 따라 가벼운 전자가 모여서 더 얇은 패치를 채울 것입니다. 한 가스가 다른 가스가 얇아지는 곳에서 정확하게 두꺼워지기 때문에 두 유형의 전체 전자 밀도, 즉 전체 전하와 전기장은 중립으로 유지되고 변하지 않습니다. 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 응집물질 물리학자인 안슐 코가(Anshul Kogar)는 “물건은 움직이지 않는 것처럼 보일 때에도 움직일 수 있습니다.”라고 말했습니다.
두 가지 유형의 전자(파란색과 금색)가 겹치는 파동입니다. 각 색상의 밀도는 다양하지만 입자의 전체 밀도는 모든 곳에서 동일하게 유지됩니다.
Merrill Sherman/Quanta 매거진
빛은 전하 분포가 고르지 않은 물체에서만 반사되므로 Pines 진동의 중립성으로 인해 빛이 완벽하게 보이지 않게 되었습니다. 빛은 광자라고 불리는 에너지 묶음으로 들어오며, 파인스는 그의 파동 에너지 묶음을 "악마"라고 명명했습니다. 그 이름은 선구적인 물리학자 제임스 클럭 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 악마적 사고 실험에 대한 고개를 끄덕이는 것이었습니다. 파인스는 자신의 이름을 딴 입자나 파동을 갖기에는 너무 일찍 살았다고 한탄했습니다. "나는 Maxwell을 기리고 여기에서 별개의 전자 운동(또는 D.E.M.) 사례를 다루기 때문에 이러한 새로운 자극을 '악마'라고 부를 것을 제안합니다."라고 Pines는 1956년에 썼습니다.
수십 년에 걸쳐 물리학자들은 다양한 물질에서 악마 같은 파동을 보았습니다. 1982년 벨 연구소(Bell Labs)의 연구원들은 인접한 갈륨 비소 시트에서 반대 파동을 발견했습니다. 그리고 올해 버클리 캘리포니아 대학의 Feng Wang이 이끄는 팀은 그래핀 시트에 있는 약간 더 얇은 양전하 입자 같은 물체의 파동과 동시에 뛰는 거의 보이지 않는 전자 파동을 포착하는 실험을 설명했습니다.
데이비드 파인스(David Pines)는 두 가지 유형의 전자를 가진 물질에서 눈에 보이지 않는 '악마' 파동이 발생할 수 있다고 예측했습니다.
SFI의 미네쉬 바크라니아
그러나 그러한 목격은 악마적인 특징이 덜 눈에 띄는 2차원 시스템에서 주로 발생했습니다. 차원의 특성으로 인해 2D에서는 원하는 만큼 적은 노력으로 전하파를 시작할 수 있습니다. 그러나 3차원에서 파동을 시작하려면 비사회적 전자들이 서로 뭉치도록 하기 위해 최소한의 에너지가 필요합니다. 전기적으로 중립인 악마들은 이 3차원 에너지 비용을 면제받습니다. Urbana-Champaign 그룹에서 박사학위 연구를 진행한 Kogar는 "3차원 입체에서 악마를 보는 것은 조금 특별합니다."라고 말했습니다.
악마들이여
Peter Abbamonte가 이끄는 Urbana-Champaign 팀은 악마 사냥을 한 적이 없습니다. 파인스의 악마가 곧장 연구실로 들어왔습니다.
2010년에 Abbamonte의 그룹은 수많은 전자를 통해 파문을 일으키는 미세한 진동을 감지하는 기술을 개발하기 시작했습니다. 그들은 물질에 전자를 던지고 그들이 운반하는 에너지와 그들이 되돌아왔을 때 택한 경로를 정확하게 기록할 것입니다. 이러한 도탄의 세부 사항을 기반으로 그룹은 물질이 충돌에 어떻게 반응하는지 추론할 수 있었고, 이를 통해 충돌로 인해 생성된 모든 파도의 특성이 드러났습니다. 마치 욕조에 탁구공을 쳐서 물이 채워져 있는지, 꿀이 채워져 있는지, 얼음이 채워져 있는지를 판단하는 것과 비슷합니다.
