I en serie experiment utförda vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien riktade forskare intensiva pulser av röntgenstrålar mot material i nanoskala gjorda av föreningen neodymnickelat. När röntgenstrålningen träffade materialet, sänder de ut energiska elektroner, som sedan mättes med en spektrometer.
Det som förbryllade forskarna var egenskaperna hos dessa utsända elektroner. De förväntade sig att observera elektroner som hade fått energi och rörde sig snabbare efter att ha absorberat röntgenstrålar. Istället fann de att elektronerna hade minskat i hastighet och betedde sig som om de var mycket tyngre än förväntat.
Dr Juncong Zhang, en postdoktor vid SLAC och medförfattare till studien, förklarade:"Det var som om elektronerna hade tagit på sig små virtuella "rockar", vilket saktade ner dem samtidigt som de fick dem att se mer massiva ut."
Det observerade beteendet kan inte förklaras av traditionella fysikteorier, som förutspår att när partiklar får energi rör sig de snabbare. Istället antyder det att det finns interaktioner eller mekanismer i dessa material som förändrar hur elektroner beter sig när de interagerar med högenergifotoner.
Forskargruppen tror att effekten involverar samspelet mellan elektroner och gittervibrationer i materialet, vilket leder till en tillfällig omarrangering av neodymnickelatets elektroniska struktur. Dessa dynamiska interaktioner ger upphov till fenomenet "tung elektron".
Dr Zahid Hussain, senior forskare vid SLAC och medförfattare till studien, sa:"Våra observationer indikerar att elektroner kan uppvisa spännande nya egenskaper när de drivs ur jämvikt av intensiva, ultrasnabba stimuli som en röntgenpuls."
Fynden, publicerade i tidskriften Science, har betydelse för att förstå elektronernas beteende under extrema förhållanden och kan kasta ljus över de elektroniska interaktionerna i komplexa material. Denna kunskap kan ha implikationer inom områden som supraledning och utveckling av nya material med önskvärda elektroniska egenskaper.
Utöver dess vetenskapliga betydelse belyser forskningen också förmågan hos avancerade röntgenanläggningar som SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS) att undersöka ultrasnabba processer i material och fånga oöverträffade detaljer om deras elektroniska beteende.
