Demônio de Pines observado como um plasmon acústico 3D em Sr2RuO4

Natureza (2023)Cite este artigo

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A excitação característica de um metal é o seu plasmon, que é uma oscilação coletiva quantizada de sua densidade eletrônica. Em 1956, David Pines previu que um tipo distinto de plasmon, apelidado de “demônio”, poderia existir em metais tridimensionais (3D) contendo mais de uma espécie de portador de carga1. Consistindo no movimento fora de fase de elétrons em diferentes bandas, os demônios são acústicos, eletricamente neutros e não se acoplam à luz, por isso nunca foram detectados em um metal 3D em equilíbrio. No entanto, acredita-se que os demônios sejam críticos para diversos fenômenos, incluindo transições de fase em semimetais de valência mista2, propriedades ópticas de nanopartículas metálicas3, soundarons em semimetais de Weyl4 e supercondutividade de alta temperatura em, por exemplo, hidretos metálicos3,5,6,7. Aqui, apresentamos evidências de um demônio em Sr2RuO4 a partir de espectroscopia de perda de energia eletrônica com resolução de momento. Formado por elétrons nas bandas β e γ, o demônio não tem intervalos com momento crítico qc = 0,08 unidades de rede recíproca e velocidade à temperatura ambiente v = (1,065 ± 0,12) × 105 m s-1 que sofre uma renormalização de 31% ao resfriar a 30 K por causa do acoplamento ao continuum partícula-buraco. A dependência do momento da intensidade do demônio confirma seu caráter neutro. Nosso estudo confirma uma previsão de 67 anos e indica que os demônios podem ser uma característica generalizada dos metais multibandas.

Propostos em 1952 por Pines e Bohm8, os plasmons foram observados pela primeira vez em experimentos de espalhamento inelástico de elétrons9 e foram um dos primeiros exemplos confirmados de fenômenos coletivos em sólidos. Landau referiu-se aos plasmons como 'som zero', enfatizando que eles são o análogo quântico do som acústico em um gás clássico10. No entanto, ao contrário do som comum, cuja frequência tende a zero no momento zero, q (isto é, à medida que seu comprimento de onda se aproxima do infinito), os plasmons, exceto em sistemas de dimensões inferiores, custam uma energia finita para serem excitados, pois a criação de uma oscilação de densidade requer a superação. a interação de Coulomb de longo alcance1,8. A frequência do plasma, ωp, em metais comuns varia de 15 eV em Al (ref. 11) a 20 eV em Cu (ref. 12).

Em 1956, Pines previu que era possível criar uma excitação plasmônica sem custo de energia de Coulomb1. O novo modo coletivo, apelidado de “demônio”, surge quando elétrons em bandas diferentes se movem fora de fase, resultando assim não em nenhuma transferência líquida de carga, mas em uma modulação na ocupação da banda. Um demônio pode ser pensado como um modo coletivo de quasipartículas neutras cuja carga foi totalmente protegida por elétrons em uma banda separada. Aplicando a aproximação de fase aleatória (RPA), Pines argumentou que a frequência de um modo demoníaco, ω, deveria ser escalonada como \(\omega \approx q\), desaparecendo como \(q\to 0\) (ref. 1).

Surpreendentemente, embora amplamente discutido na literatura teórica1,2,5,6,13,14,15, parece não haver confirmação experimental de um demônio num metal 3D, mesmo 67 anos após a sua previsão. Os plasmons acústicos têm sido amplamente estudados em metais bidimensionais (2D) , nos quais os plasmons convencionais de componente único são sem intervalos . Plásmons de baixa energia também foram relatados em metais 3D em camadas em q = π / d (sendo d o espaçamento entre camadas), principalmente recentemente por técnicas de espalhamento de raios X inelásticos ressonantes , embora essas excitações se dispersem para ωp em q = 0, então não são acústicos23. Certa vez, um demônio foi relatado em GaAs fotoexcitados, embora o efeito fosse apenas transitório . Um verdadeiro demônio, que consiste no movimento fora de fase de fluidos de elétrons distintos e permanece acústico como \(q\to 0\) em um sistema 3D, ainda não foi relatado.

Se fosse demonstrado que os demônios existem experimentalmente, certamente seria necessária uma teoria adequada dos demônios, de muitos corpos, que incorporasse a hidrodinâmica e os efeitos além da RPA.

O que torna os demônios difíceis de detectar é a sua inerente neutralidade de carga. As correntes fora de fase dos dois fluidos de elétrons se cancelam exatamente como \(q\to 0\), extinguindo a parte de longo alcance da interação de Coulomb. Por esta razão, um demônio não possui assinatura na função dielétrica de um metal, \(\varepsilon (q,\omega )\), no limite de q pequeno, e não se acopla à luz. A maneira mais promissora de detectar um demônio é medir as excitações de um metal multibanda em q diferente de zero, onde um demônio modula a densidade e pode ser observável experimentalmente usando técnicas de espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) que observaram plasmons originalmente .