Olympiska konståkare och elektroner har mycket gemensamt. I konståkningstävlingar, segmentet "fri skridskoåkning" ger skridskoåkaren flexibiliteten att resa i vilket mönster han eller hon väljer runt isbanan. Liknande, i metaller, elektroner i yttre orbitaler kan vandra ganska fritt.

Dock, när magnetfältet ökar dramatiskt, forskare har funnit att dessa elektroners rörelse blir mycket tätare begränsad. Deras beteende ser ut som konståkare som slutför obligatoriska snäva snurr och hopp.

I en ny studie från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare använde extremt höga magnetfält - motsvarande dem som finns i mitten av neutronstjärnor - för att ändra elektroniskt beteende. Genom att observera förändringen i beteendet hos dessa elektroner, forskare kan kanske få en berikad förståelse för materialbeteende.

"Spelreglerna ändras när vi tillämpar ett magnetfält med denna intensitet, "sade Argonne materialvetare Anand Bhattacharya, som ledde forskningen. "Naturen i detta nya tillstånd som vi ser har diskuterats teoretiskt i över ett halvt sekel, men experiment för att mäta dess egenskaper har varit svåra att få fram. "

För att skapa det mycket höga magnetfält som behövs, Bhattacharya använde faciliteterna i National High Magnetic Field Lab i Tallahassee, Florida. Där, med kollegan Alexey Suslov, han undersökte kristaller av strontiumtitanat, liknande syntetisk diamant, som har den ovanliga egenskapen att låta elektricitet flöda även när elektroner är extremt glesa och långsamt.

Elektronernas långsamma rörelse inuti kristallen gör dem särskilt mottagliga för magnetiska krafter. Forskarna observerade att elektronernas kvantegenskaper förändrades dramatiskt när kristallerna sattes under höga magnetfält och svalnade till bara några hundradelar av grader över absolut noll.

Tidigare argonne postdoktor Brian Skinner (nu vid MIT) och tidigare National Institutes of Standards and Technology postdoktor Guru Khalsa (nu vid Cornell) gav de teoretiska insikter som hjälpte forskarna att förstå deras resultat. De föreslog att i mycket höga magnetfält, elektronerna bildar rumsligt inhomogena "pölar" en överraskande upptäckt som stöddes av viktiga aspekter av data.

Även om Bhattacharya är tveksam till att identifiera ny teknik som kan skapas för att dra nytta av denna nya materiella regim, han sa att resultatet är uppmuntrande för forskare som vill utveckla en fullständigare förståelse för vissa materials ovanliga egenskaper.

"När vi skjuter gränserna för vilka vi kan ta elektroner, ny fysik växer fram, "Sa Bhattacharya." Om du tänker på vår förståelse av elektroner, vi förstår metaller, där elektroner rör sig fritt, och vi förstår också beteendet hos mycket lokaliserade elektroner. Men om du kan öppna dörren till regionerna däremellan, du kan göra nya upptäckter. "