在戴維-派恩斯（David Pines）作出理論預測67 年後，人們在釕酸鍶（strontium ruthenate）中探測到了難以捉摸的”惡魔”粒子–一種在固體中無質量的中性實體，這凸顯了創新研究方法的價值。

研究人員發現了”松樹惡魔”–一種金屬中的電子集合，其行為類似於無質量波。資料來源：伊利諾伊大學香檳分校格雷格工程學院

1956 年，理論物理學家戴維-派恩斯（David Pines）預言，固體中的電子會做出一些奇怪的事情。儘管電子通常具有質量和電荷，但派恩斯斷言，它們可以結合在一起，產生一種無質量、中性、不與光相互作用的複合粒子。他將這種理論粒子命名為”惡魔”。從那時起，”惡魔”就被認為在各種金屬的行為中扮演著重要角色。不幸的是，正是由於它的這些特性，使得它自被預測以來一直未能被探測到。

快進67 年後，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）物理學教授彼得-阿巴蒙特（Peter Abbamonte）領導的研究小組終於找到了松樹這個難以捉摸的惡魔。研究人員在《自然》雜誌上報告說，他們使用了一種非標準實驗技術，直接激發材料的電子模式，從而在金屬釕酸鍶中看到了惡魔的特徵。

阿巴蒙特說：”理論上對惡魔的猜想由來已久，但實驗人員從未對其進行過研究。事實上，我們甚至都沒有去尋找它。但事實證明，我們做的事情是正確的，我們找到了它。”

難以捉摸的惡魔

凝聚態物理學最重要的發現之一是，電子在固體中失去了個性。電相互作用使電子結合成集體單元。只要有足夠的能量，電子甚至可以形成稱為等離子體的複合粒子，其新電荷和質量由基本的電相互作用決定。然而，質量通常非常大，以至於在室溫下的能量無法形成等離子體。

派恩斯發現了一個例外。他認為，如果一個固體有多個能帶的電子（許多金屬就是這樣），那麼它們各自的質子就能以失相的模式結合在一起，形成一個新的質子，它是無質量的、中性的：一個”惡魔”。由於”惡魔”是無質量的，它們可以在任何能量下形成，因此在任何溫度下都可能存在。這讓人們猜測它們對多波段金屬的行為有重要影響。

魔鬼的中性意味著它們不會在標準凝聚態實驗中留下痕跡。”絕大多數實驗都是用光來測量光學性質的，但電中性意味著惡魔不會與光發生相互作用，”阿巴蒙特說。”我們需要一種完全不同的實驗。

意外發現

阿巴蒙特回憶說，他和他的合作者研究釕酸鍶是出於一個無關的原因–這種金屬與高溫超導體相似，但又不是高溫超導體。他們希望找到其他系統中為什麼會出現這種現象的線索，於是對這種金屬的電子特性進行了首次調查。

京都大學物理學教授Yoshi Maeno的研究小組合成了高質量的金屬樣品，阿巴蒙特和前研究生Ali Husain用動量分辨電子能量損失光譜法對其進行了研究。這是一種非標準技術，它利用射入金屬的電子能量直接觀察金屬的特徵，包括形成的質子。研究人員在查看數據時發現了一些不同尋常的現象：一種沒有質量的電子模式。

現任Quantinuum 公司研究科學家的侯賽因回憶說：”起初，我們根本不知道這是什麼。惡魔不是主流。這種可能性很早就出現了，我們基本上一笑置之。但是，當我們開始排除一些東西時，我們開始懷疑我們真的找到了惡魔”。

美國加州大學洛杉磯分校摩爾博士後、凝聚態物質理論家埃德溫-黃（Edwin Huang）最終被要求計算釕酸鍶的電子結構特徵。”他說：”派恩斯對惡魔的預測需要相當特殊的條件，而當時沒有人清楚釕酸鍶是否應該有惡魔。我們不得不進行微觀計算，以弄清到底發生了什麼。當我們這樣做的時候，我們發現了一個由兩個電子帶組成的粒子，它們以幾乎相等的幅度失相振盪，就像派恩斯描述的那樣。”

研究的偶然性

阿巴蒙特認為，他的研究小組”偶然”發現惡魔並非偶然。他強調說，他和他的研究小組使用的技術並沒有被廣泛應用於一種尚未被充分研究的物質上。他認為，他們發現了一些意想不到的重大發現，這只是嘗試不同方法的結果，而不是純粹的運氣。