Een enkel en geïsoleerd elektron heeft een duidelijke elektrische lading, magnetisch moment en massa, en het vrije verkeer ervan kan nauwkeurig worden voorspeld. Spaanse wetenschappers fabriceerden een kunstmatig materiaal op nanoschaal dat atomen na elkaar manipuleerde en ontdekten dat elektronen zwaarder kunnen worden. Zware elektronen zijn veelbelovende deeltjes die nieuwe materialen nieuwe functionaliteiten geven. Deze studie is het resultaat van een internationale samenwerking onder leiding van het Instituto de Nanociencia de Aragón en het Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), waaraan wetenschappers van CIC nanoGUNE deelnamen, samen met leden van het Centro de Física de Materiales (CFM) in San Sebastian, en de Charles University en de Tsjechische Academie van Wetenschappen, in Tsjechië.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie en laat zien dat het mogelijk is om kunstmatige materialen te fabriceren, een voor een, om elektronische en magnetische eigenschappen te produceren die in geen enkel materiaal in de natuur voorkomen. In dit geval, de wetenschappers observeerden dat conventionele elektronen in een metaal zware elektronen worden (de technische term is zware fermionen) in de nabijheid van geordende atomaire structuren van magnetische atomen (kobalt) die over het oppervlak zijn gerangschikt. Zware fermionen zijn elektronische toestanden die optreden wanneer normale elektronen, die intrinsiek magnetisch zijn, worden aangetrokken door de structuur van periodiek gerangschikte magnetische atomen.

De onderzoekers gebruikten een scanning tunneling microscoop bij lage temperaturen om de vorm van deze elektronische toestanden te bestuderen en aan te tonen dat ze overeenkomen met het ontstaan ​​van een zware fermiontoestand. Dit is de eerste keer dat de vorming van dergelijke nieuwe toestanden van materie werd gevolgd door het kunstmatige materiaal atoom voor atoom te construeren. "We ontdekten dat de magnetische vingerafdruk van deze elektronen zich uitbreidde langs een magnetische keten van maximaal 20 kobaltatomen, waardoor we kunnen aantonen dat ze overeenkomen met een nieuwe elektronische toestand van materie, en een theoretisch model bieden voor het creëren van zware elektronen dat kan worden uitgebreid naar andere systemen, waardoor het zoeken naar kunstmatige materialen met nieuwe functionele eigenschappen wordt gestimuleerd." Legt David Serrate uit, wetenschapper bij ICMA en leider van deze studie.

De exotische elektronische en magnetische eigenschappen van deze materialen anticiperen op hun mogelijke gebruik voor toepassingen zoals sensoren, supergeleidende apparaten, of om kritische kwantumprocessen te verkennen. Zware elektronen gedragen zich drastisch anders dan normale elektronen omdat hun reactie op temperatuur en druk van magnetische velden schaalt met de massa van de elektronen. Aanvullend, de observatie van deze nieuwe toestanden inspireert tot nieuwe theoretische modellen die ons in staat stellen de kwantumgrenzen van materie te verkennen en nieuwe kunstmatige materialen te ontwerpen met aangepast elektronisch gedrag.