I pattinatori olimpici e gli elettroni hanno molto in comune. Nelle gare di pattinaggio artistico, il segmento "free skate" offre al pattinatore la flessibilità di viaggiare in qualsiasi modello lui o lei scelga intorno alla pista. Allo stesso modo, nei metalli, gli elettroni negli orbitali esterni possono vagare abbastanza liberamente.

Però, quando il campo magnetico aumenta drasticamente, i ricercatori hanno scoperto che il movimento di questi elettroni diventa molto più strettamente confinato. Il loro comportamento sembra quello di pattinatori che completano trottole e salti stretti obbligatori.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori hanno utilizzato campi magnetici estremamente elevati, equivalenti a quelli trovati al centro delle stelle di neutroni, per alterare il comportamento elettronico. Osservando il cambiamento nel comportamento di questi elettroni, gli scienziati potrebbero essere in grado di acquisire una comprensione più approfondita del comportamento materiale.

"Le regole del gioco cambiano quando applichiamo un campo magnetico di questa intensità, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Anand Bhattacharya, che ha condotto la ricerca. "La natura di questo nuovo stato che vediamo è stata discussa teoricamente per oltre mezzo secolo, ma gli esperimenti per misurare le sue proprietà sono stati difficili da trovare."

Per creare il campo magnetico molto elevato necessario, Bhattacharya ha utilizzato le strutture del National High Magnetic Field Lab a Tallahassee, Florida. Là, con il collega Alexey Suslov, esaminò cristalli di titanato di stronzio, simile al diamante sintetico, che ha l'insolita proprietà di permettere all'elettricità di fluire anche quando gli elettroni sono estremamente radi e lenti.

Il movimento lento degli elettroni all'interno del cristallo li rende particolarmente suscettibili alle forze magnetiche. I ricercatori hanno osservato che le proprietà quantistiche degli elettroni sono cambiate drasticamente quando i cristalli sono stati sottoposti a forti campi magnetici e raffreddati a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto.

L'ex ricercatore post-dottorato di Argonne Brian Skinner (ora al MIT) e l'ex ricercatore post-dottorato del National Institutes of Standards and Technology Guru Khalsa (ora alla Cornell) hanno fornito le intuizioni teoriche che hanno aiutato i ricercatori a comprendere i loro risultati. Hanno proposto che in campi magnetici molto elevati, gli elettroni formano "pozzanghere" spazialmente disomogenee, una scoperta sorprendente che è stata supportata da aspetti chiave dei dati.

Sebbene Bhattacharya sia riluttante a identificare nuove tecnologie che potrebbero essere create per trarre vantaggio da questo nuovo regime materiale, ha affermato che il risultato è incoraggiante per gli scienziati che desiderano sviluppare una comprensione più completa delle proprietà insolite di determinati materiali.

"Quando spingiamo i limiti ai quali possiamo portare gli elettroni, emerge una nuova fisica, " Bhattacharya disse. "Se pensi alla nostra comprensione degli elettroni, comprendiamo i metalli, dove gli elettroni si muovono liberamente, e comprendiamo anche il comportamento di elettroni altamente localizzati. Ma se riesci ad aprire la porta a quelle regioni intermedie, puoi fare nuove scoperte."