En enda och isolerad elektron har en klar elektrisk laddning, magnetiskt moment och massa, och dess fria rörlighet kan förutsägas exakt. Spanska forskare tillverkade ett nanoskala artificiellt material som manipulerade atomer efter varandra och upptäckte att elektroner kan bli tyngre. Tunga elektroner är lovande partiklar som ger nya material nya funktioner. Denna studie är resultatet av ett internationellt samarbete som leds av Instituto de Nanociencia de Aragón och Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), i vilka forskare vid CIC nanoGUNE deltog, tillsammans med medlemmar i Centro de Física de Materiales (CFM) i San Sebastian, och Charles University och Czech Academy of Sciences, i Tjeckien.

Studien har publicerats i tidskriften Naturkommunikation och visar att det är möjligt att tillverka konstgjorda material, en och en, att producera elektroniska och magnetiska egenskaper som inte finns i något material som finns i naturen. I detta fall, forskarna observerade att konventionella elektroner i en metall blir tunga elektroner (den tekniska termen är tunga fermioner) i närheten av ordnade atomstrukturer av magnetiska atomer (kobolt) anordnade över ytan. Tunga fermioner är elektroniska tillstånd som uppträder när normala elektroner, som är i sig magnetiska, attraheras mot strukturen av magnetiska atomer periodiskt arrangerade.

Forskarna använde ett scanningstunnelmikroskop vid låga temperaturer för att studera formen av dessa elektroniska tillstånd och visa att de motsvarar uppkomsten av ett tungt fermiontillstånd. Detta är första gången som bildandet av sådana nya materiella tillstånd övervakades genom att konstruera det artificiella materialet en atom i taget. "Vi fann att dessa elektroners magnetiska fingeravtryck sträckte sig delokaliserat längs en magnetisk kedja med upp till 20 koboltatomer, tillåter oss att visa att de motsvarar ett nytt elektroniskt tillstånd av materia, och tillhandahålla en teoretisk modell för skapande av tunga elektroner som kan utvidgas till andra system, vilket ökar sökandet efter konstgjorda material med nya funktionella egenskaper. "Förklarar David Serrate, forskare vid ICMA och ledare för denna studie.

De exotiska elektroniska och magnetiska egenskaperna hos dessa material förutser deras möjliga användning för applikationer som sensorer, supraledande enheter, eller för att utforska kritiska kvantprocesser. Tunga elektroner uppträder drastiskt annorlunda än normala elektroner eftersom deras svar på temperatur och tryck hos magnetfält skalas med elektronernas massa. Dessutom, observationen av dessa nya stater inspirerar till nya teoretiska modeller som gör att vi kan utforska materiens kvantgränser och designa nya konstgjorda material med anpassat elektroniskt beteende.