Le démon de Pines observé comme un plasmon acoustique 3D dans Sr2RuO4

Nature (2023)Citer cet article

33 000 accès

606 Altmétrique

Détails des métriques

L'excitation caractéristique d'un métal est son plasmon, qui est une oscillation collective quantifiée de sa densité électronique. En 1956, David Pines a prédit qu'un type distinct de plasmon, surnommé « démon », pourrait exister dans les métaux tridimensionnels (3D) contenant plus d'une espèce de porteurs de charge1. Constitués de mouvements déphasés d'électrons dans différentes bandes, les démons sont acoustiques, électriquement neutres et ne se couplent pas à la lumière, ils n'ont donc jamais été détectés dans un métal 3D en équilibre. Néanmoins, on pense que les démons sont essentiels à divers phénomènes, notamment les transitions de phase dans les semi-métaux à valence mixte2, les propriétés optiques des nanoparticules métalliques3, les soundarons dans les semi-métaux de Weyl4 et la supraconductivité à haute température dans, par exemple, les hydrures métalliques3,5,6,7. Nous présentons ici la preuve d'un démon dans Sr2RuO4 à partir de la spectroscopie de perte d'énergie électronique résolue en impulsion. Formé d'électrons dans les bandes β et γ, le démon est sans espace avec un moment critique qc = 0,08 unités de réseau réciproques et une vitesse à température ambiante v = (1,065 ± 0,12) × 105 m s−1 qui subit une renormalisation de 31 % lors du refroidissement à 30 K en raison du couplage au continuum particule-trou. La dépendance en termes d'élan de l'intensité du démon confirme son caractère neutre. Notre étude confirme une prédiction vieille de 67 ans et indique que les démons pourraient être une caractéristique omniprésente des métaux multibandes.

Proposés en 1952 par Pines et Bohm8, les plasmons ont été observés pour la première fois dans des expériences de diffusion inélastique des électrons9 et ont été l'un des premiers exemples confirmés de phénomènes collectifs dans les solides. Landau a qualifié les plasmons de « son nul », soulignant qu'ils sont l'analogue quantique du son acoustique dans un gaz classique10. Cependant, contrairement au son ordinaire, dont la fréquence tend vers zéro à une impulsion nulle, q (c'est-à-dire lorsque sa longueur d'onde se rapproche de l'infini), les plasmons, sauf dans les systèmes de dimension inférieure, coûtent une énergie finie à exciter, car la création d'une oscillation de densité nécessite de surmonter l'interaction coulombienne à longue portée1,8. La fréquence du plasma, ωp, dans les métaux ordinaires varie de 15 eV dans Al (réf. 11) à 20 eV dans Cu (réf. 12).

En 1956, Pines prédisait qu’il était possible de créer une excitation de plasmon sans coût énergétique coulombien1. Le nouveau mode collectif, surnommé « démon », apparaît lorsque les électrons de différentes bandes se déphasent, ce qui n'entraîne aucun transfert net de charge mais une modulation de l'occupation de la bande. Un démon peut être considéré comme un mode collectif de quasiparticules neutres dont la charge a été entièrement filtrée par des électrons dans une bande distincte. En appliquant l'approximation de phase aléatoire (RPA), Pines a fait valoir que la fréquence d'un mode démon, ω, devrait évoluer comme \(\omega \approx q\), disparaissant comme \(q\to 0\) (réf. 1).

Étonnamment, bien que largement discuté dans la littérature théorique1,2,5,6,13,14,15, il ne semble y avoir aucune confirmation expérimentale de la présence d'un démon dans un métal 3D, même 67 ans après sa prédiction. Les plasmons acoustiques ont été largement étudiés dans les métaux bidimensionnels (2D), dans lesquels les plasmons conventionnels à un seul composant sont sans espace20. Des plasmons de basse énergie ont également été signalés dans des métaux 3D en couches à q = π/d (d étant l'espacement des couches), principalement récemment par des techniques de diffusion inélastique résonnante des rayons X21,22, bien que ces excitations se dispersent jusqu'à ωp à q = 0 donc ne sont pas acoustiques23. Un démon a déjà été signalé dans GaAs photoexcité, bien que l'effet n'ait été que transitoire24. Un véritable démon, consistant en un mouvement déphasé de fluides électroniques distincts et restant acoustique comme \(q\to 0\) dans un système 3D, n'a pas encore été signalé.

S’il était démontré expérimentalement que les démons existent, une véritable théorie des démons à N corps, intégrant l’hydrodynamique et les effets au-delà de la RPA, serait sûrement nécessaire.

Ce qui rend les démons difficiles à détecter, c'est leur neutralité inhérente en matière de charge. Les courants déphasés des deux fluides électroniques s'annulent exactement comme \(q\to 0\), éteignant la partie à longue portée de l'interaction coulombienne. Pour cette raison, un démon n'a pas de signature dans la fonction diélectrique d'un métal, \(\varepsilon (q,\omega )\), dans la limite des petits q, et ne se couple pas à la lumière. La manière la plus prometteuse de détecter un démon consiste à mesurer les excitations d’un métal multibande à un q non nul, où un démon module la densité et peut être observable expérimentalement à l’aide de techniques de spectroscopie de perte d’énergie électronique (EELS) qui ont observé les plasmons à l’origine9.