Partícula demônio: elétrons sem massa e carga elétrica são descobertos

Enquanto estudavam as propriedades de um cristal supercondutor chamado rutenato de estrôncio, uma equipe de pesquisadores descobriu algo previsto há 67 anos, que, até então, foi levemente ignorado por cientistas experimentais. Eles encontraram elétrons sem massa e sem carga elétrica, apelidados de demônios.

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Os elétrons são, por definição, partículas de carga elétrica negativa e com 1/1836 da massa do próton. Em sólidos, no entanto, eles se comportam de modo coletivo e podem até formar partículas compostas chamadas plasmons, com outras cargas elétricas e massas. Contudo, plasmons não podem se formar em temperaturas ambiente.

Em 1956, no entanto, o físico teórico David Pines previu que os elétrons poderiam se combinar para criar uma partícula neutra composta, sem massa, que não interage com a luz. Ele teorizou que, se um sólido tem elétrons em mais do que uma banda de energia, seus plasmons poderiam formar outro tipo de partícula — os demônios.

Ao contrário dos plasmons, os demônios podem se formar com qualquer energia e, portanto, em todas as temperaturas. O problema é que suas propriedades fantasmagóricas impedem que essas partículas deixam qualquer assinatura nos experimentos, feitos em sua maioria com interação das partículas com a luz.

Por sorte, o grupo de pesquisa sobre o rutenato de estrôncio usava técnicas de perda de energia de elétrons, disparando-os no metal para observar diretamente suas características, incluindo os plasmons que se formam nele. Enquanto realizavam os experimentos, os autores encontraram um modo eletrônico sem massa.

No primeiro momento, eles não suspeitavam que se tratava de um "demônio de Pines”, ou melhor, riram dessa possibilidade logo no início. Mas à medida que investigavam os resultados, as outras explicações eram descartadas até restar apenas a estranha partícula prevista 67 anos atrás.

Desde a previsão feita por Pines, os teóricos sugerem que essas partículas teriam um papel importante no comportamento de diversas variedades de metais. Agora que os “demônios” foram encontrados em um deles, os físicos vão poder compreender melhor as diversas manifestações que os elétrons podem apresentar coletivamente em sólidos.

Além disso, as próximas pesquisas sobre esse tipo de plasmon poderia explicar por que alguns materiais são supercondutores e ajudar na busca por novos materiais desse tipo.

O artigo da descoberta foi publicado na revista Nature.

Fonte: Nature, Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois