En física de la materia condensada , el demonio de Pines o, simplemente, demonio es una excitación colectiva de electrones que corresponde a electrones en diferentes bandas de energía que se mueven fuera de fase entre sí. Equivalentemente, un demonio corresponde a corrientes de electrones que se propagan en sentido contrario desde diferentes bandas. Bautizados con el nombre de David Pines , quien acuñó el término en 1956, [1] los demonios son estados excitados de la mecánica cuántica de un material que pertenece a una clase más amplia de excitaciones colectivas exóticas , como el magnón , el fasón o el excitón . El demonio de Pines fue observado experimentalmente por primera vez en 2023 por AA Husain et al. [2] dentro del óxido de metal de transición rutenato de distroncio (Sr 2 RuO 4 ).
Los demonios fueron teorizados originalmente en 1956 por David Pines [1] en el contexto de metales multibanda con dos bandas de energía: una banda de electrones pesados con gran masa efectiva y una banda de electrones ligeros con masa efectiva . En el límite de , las dos bandas están cinemáticamente desacopladas, por lo que los electrones en una banda no pueden dispersarse a la otra banda mientras conservan el momento y la energía. Dentro de este límite, Pines señaló que las dos bandas pueden considerarse como dos especies distintas de partículas de carga, de modo que es posible que las excitaciones de las dos bandas estén en fase o desfasadas entre sí. La excitación en fase de las dos bandas no era un nuevo tipo de excitación, era simplemente el plasmón , una excitación propuesta anteriormente por David Pines y David Bohm en 1952 [3] que explicaba los picos observados en los primeros espectros de pérdida de energía de electrones de los sólidos. [4] Pines denominó a la excitación desfasada "demonio" en honor a James Clerk Maxwell , ya que pensaba que Maxwell "vivió demasiado pronto para tener una partícula o excitación nombrada en su honor". [1] Pines explicó su terminología convirtiendo el término en medio acrónimo porque las partículas comúnmente tienen el sufijo "-on" y la excitación involucraba un movimiento de electrones distinto, lo que resultó en DEMon, o simplemente demonio para abreviar.
Históricamente, se hacía referencia al demonio como un plasmón acústico, [5] debido a su naturaleza sin espacios que también comparten los fonones acústicos . Sin embargo, con el auge de los materiales bidimensionales (como el grafeno ) y los plasmones de superficie , el término plasmón acústico ha adquirido un significado muy diferente al del plasmón ordinario en un sistema de baja dimensión. Dichos plasmones acústicos se diferencian del demonio porque no consisten en corrientes desfasadas de diferentes bandas, no existen en materiales a granel y se acoplan a la luz, a diferencia del demonio. En la siguiente tabla se muestra una comparación más detallada de plasmones y demonios.
La excitación del demonio, a diferencia del plasmón, fue descubierta recién muchas décadas después, en 2023, por AA Husain et al. [2] en el material superconductor no convencional Sr 2 RuO 4 utilizando una variante resuelta por momento de espectroscopia de pérdida de energía de electrones de alta resolución .
El plasmón es una vibración cuantificada de la densidad de carga en un material donde todas las bandas de electrones se mueven en fase . El plasmón también es masivo (es decir, tiene una brecha de energía) en materiales a granel debido al costo de energía necesario para superar la interacción de Coulomb de largo alcance, siendo el costo de energía la frecuencia del plasma . Los plasmones existen en todos los materiales conductores y juegan un papel dominante en la conformación de la función dieléctrica de un metal a frecuencias ópticas. Históricamente, los plasmones fueron observados ya en 1941 por G. Ruthemann. [6] El comportamiento de los plasmones tiene amplias implicaciones, ya que juegan un papel como herramienta para la microscopía biológica ( microscopía de resonancia de plasmón de superficie ), la electrónica basada en plasmones ( plasmónica ) y subyacen a la formulación original de la línea de transmisión con un dispositivo de plasma de unión ( transmon ) que ahora se usa en qubits superconductores para computación cuántica .
La excitación demoníaca, por otra parte, tiene una serie de distinciones clave con respecto al plasmón (y al plasmón acústico), como se resume en la siguiente tabla.
Los primeros estudios del demonio en el contexto de la superconductividad [5] mostraron, bajo la imagen de dos bandas presentada por Pines, que el emparejamiento superconductor de la banda de electrones ligeros puede ser mejorado a través de la existencia de demonios, mientras que el emparejamiento de los electrones pesados se vería más o menos inafectado. La implicación es que los demonios permitirían efectos selectivos de orbitales en el emparejamiento superconductor. Sin embargo, para el caso simple de metales esféricamente simétricos con dos bandas, las realizaciones naturales de superconductividad mejorada por demonios parecían improbables, ya que los electrones (d) pesados juegan el papel dominante en la superconductividad de la mayoría de los metales de transición considerados en ese momento. Sin embargo, estudios más recientes sobre hidruros metálicos superconductores de alta temperatura, donde las bandas de electrones ligeros participan en la superconductividad, sugieren que los demonios pueden estar jugando un papel activo en tales sistemas. [7] [8] [9]
