Az anyagok elemzésére általában a spektroszkópiát használják, amely vizsgálat során az adott anyagra fényt bocsátanak, majd a visszavert spektrumot analizálják. Ezzel a módszerrel megállapítható, hogy mely frekvenciák nyelődnek el és verődnek vissza, ami az elektronok viselkedéséről nyújt információt.

Azonban ezzel a módszerrel, úgy tűnik, akad egy kis probléma: nem minden elektron detektálható vele. Egyszerűbb atomokban és molekulákban ugyanis egyes elektronok rejtve maradhatnak, aminek az az oka, hogy az energiaszintek közötti interferencia miatt “kioltják egymást” – vagyis láthatatlanok maradnak az említett spektrumban. Innen származik tehát a “sötét elektron” elnevezés. Eddig azonban úgy vélték, hogy a bonyolultabb szilárd anyagokban ezek a sötét állapotok nem fordulhatnak elő, mivel az egymással kölcsönhatásba lépő elektronok nagy száma ezt lehetetlenné teszi.

Keun Su Kim és kutatócsoportja a dél-koreai Yonsei Egyetemen viszont bebizonyította, hogy ezek a sötét elektronok mégis jelen vannak összetettebb anyagokban is, például az ólom-perovszkitban, amelyet napelemekben használnak, valamint a bizmut-réz szupravezetőben is – számol be egy friss kutatás eredményéről a New Scientist. Mint Kim elmondta mindennek kapcsán:

“Ez több mint egy észrevehetetlen jelenség. A sötét állapotok, bár nem látjuk őket, mégis ott vannak, ami azt jelenti, hogy hatással vannak az anyag fizikájára.”

Kim csapata először a palládium-diszelenid nevű kristályban észlelt sötét állapotokat, amelyre a különleges atomszerkezet miatt esett a választás. Ebben a kristályban két különböző atommintázat található, ahol a palládiumatomok szelénatomokkal vannak körülvéve, és ezek kissé el vannak forgatva egymáshoz képest. Ez az elrendezés elegendő különbséget eredményez az elektronenergiák között ahhoz, hogy interferenciát idézzen elő, így olyan hézagok jelennek meg a spektrumban, amelyeket a hagyományos elméletek nem tudnának megmagyarázni.

A felfedezés alapján a kutatók olyan modellt alkottak, amely más hasonló szerkezetű anyagokban – például az ólom-perovszkitban és a bizmut-réz szupravezetőkben – is előrejelzi a sötét állapotokat. A későbbi spektroszkópiás vizsgálatok pedig megerősítették ezek jelenlétét ezekben az anyagokban is.

Az eredmények hozzájárulhatnak annak megértéséhez, hogy egyes anyagok miért képesek a vártnál magasabb hőmérsékleten a szuprevezetésre. A kutatók egyébként régóta magyarázat nélkül álltak a hiányzó elektronenergiák kapcsán – így ez a felfedezés épp ezt a titkot leplezheti le, és egyben megnyithatja az utat jobb elméleti modellek, gyakorlati szempontból pedig az új szupravezető anyagok kifejlesztése előtt.

Cephise Cacho, az oxfordshire-i Diamond Light Source munkatársa szerint mivel ezek szerint a sötét elektronok előfordulása eléggé általános jelenségnek mondható, és nem csak a kevésbé komplex anyagok sajátos tulajdonsága, így tehát számos egyéb anyag tulajdonságaira lehet hatással, amit eddig a kutatók figyelmen kívül hagytak.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Pixabay/geralt)