Olympische kunstschaatsers en elektronen hebben veel gemeen. Bij kunstschaatswedstrijden, het "free skate" segment geeft de skater de flexibiliteit om te reizen in welk patroon hij of zij ook kiest rond de ijsbaan. evenzo, in metalen, elektronen in buitenste orbitalen kunnen vrij vrij ronddwalen.

Echter, wanneer het magnetische veld drastisch wordt vergroot, onderzoekers hebben ontdekt dat de beweging van deze elektronen veel strakker wordt beperkt. Hun gedrag lijkt op kunstschaatsers die verplichte strakke spins en sprongen voltooien.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers gebruikten extreem hoge magnetische velden - gelijk aan die in het centrum van neutronensterren - om het elektronische gedrag te veranderen. Door de verandering in het gedrag van deze elektronen te observeren, wetenschappers kunnen mogelijk een verrijkt inzicht krijgen in materieel gedrag.

"De spelregels veranderen wanneer we een magnetisch veld van deze intensiteit toepassen, " zei Argonne materiaalwetenschapper Anand Bhattacharya, die het onderzoek leidde. "Over de aard van deze nieuwe staat die we zien, wordt al meer dan een halve eeuw theoretisch gedebatteerd, maar experimenten om de eigenschappen ervan te meten waren moeilijk te verkrijgen."

Om het benodigde zeer hoge magnetische veld te creëren, Bhattacharya gebruikte de faciliteiten van het National High Magnetic Field Lab in Tallahassee, Florida. Daar, met collega Alexey Suslov, hij onderzocht kristallen van strontiumtitanaat, vergelijkbaar met synthetische diamant, die de ongebruikelijke eigenschap heeft om elektriciteit te laten stromen, zelfs wanneer elektronen extreem schaars en langzaam bewegend zijn.

De langzame beweging van de elektronen in het kristal maakt ze bijzonder gevoelig voor magnetische krachten. De onderzoekers zagen dat de kwantumeigenschappen van de elektronen drastisch veranderden toen de kristallen onder hoge magnetische velden werden geplaatst en afgekoeld tot slechts enkele honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt.

Voormalig Argonne postdoctoraal onderzoeker Brian Skinner (nu bij MIT) en voormalig National Institutes of Standards and Technology postdoctoraal onderzoeker Guru Khalsa (nu bij Cornell) leverden de theoretische inzichten die de onderzoekers hielpen hun resultaten te begrijpen. Ze stelden voor dat in zeer hoge magnetische velden, de elektronen vormen ruimtelijk inhomogene "plassen", een verrassende bevinding die werd ondersteund door belangrijke aspecten van de gegevens.

Hoewel Bhattacharya aarzelt om nieuwe technologieën te identificeren die zouden kunnen worden gecreëerd om te profiteren van dit nieuwe materiële regime, hij zei dat het resultaat bemoedigend is voor wetenschappers die een beter begrip willen krijgen van de ongebruikelijke eigenschappen van bepaalde materialen.

"Als we de grenzen verleggen tot waar we elektronen kunnen nemen, nieuwe fysica komt naar voren, " zei Bhattacharya. "Als je nadenkt over ons begrip van elektronen, wij begrijpen metalen, waar elektronen vrij kunnen bewegen, en we begrijpen ook het gedrag van sterk gelokaliseerde elektronen. Maar als je de deur kunt openen voor die tussenliggende regio's, je kunt nieuwe ontdekkingen doen."