Un singolo elettrone isolato ha una chiara carica elettrica, momento magnetico e massa, e la sua libera circolazione può essere prevista con precisione. Scienziati spagnoli hanno fabbricato un materiale artificiale su scala nanometrica manipolando gli atomi uno dopo l'altro e hanno scoperto che gli elettroni possono diventare più pesanti. Gli elettroni pesanti sono particelle promettenti che conferiscono nuove funzionalità a nuovi materiali. Questo studio è il risultato di una collaborazione internazionale guidata dall'Instituto de Nanociencia de Aragón e dall'Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), a cui hanno partecipato gli scienziati del CIC nanoGUNE, insieme ai membri del Centro de Física de Materiales (CFM) di San Sebastian, e l'Università Carlo e l'Accademia ceca delle scienze, nella Repubblica Ceca.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura e mostra che è possibile fabbricare materiali artificiali, uno per uno, produrre proprietà elettroniche e magnetiche che non esistono in nessun materiale presente in natura. In questo caso, gli scienziati hanno osservato che gli elettroni convenzionali in un metallo diventano elettroni pesanti (il termine tecnico è fermioni pesanti) in prossimità di strutture atomiche ordinate di atomi magnetici (cobalto) disposte sulla superficie. I fermioni pesanti sono stati elettronici che compaiono quando gli elettroni normali, che sono intrinsecamente magnetici, sono attratti verso la struttura degli atomi magnetici disposti periodicamente.

I ricercatori hanno impiegato un microscopio a scansione a effetto tunnel a basse temperature per studiare la forma di questi stati elettronici e dimostrare che corrispondono all'emergere di uno stato di fermioni pesanti. Questa è la prima volta che la formazione di tali nuovi stati della materia è stata monitorata costruendo il materiale artificiale un atomo alla volta. "Abbiamo scoperto che l'impronta magnetica di questi elettroni si estendeva delocalizzata lungo una catena magnetica fino a 20 atomi di cobalto, permettendoci di dimostrare che corrispondono a un nuovo stato elettronico della materia, e fornire un modello teorico per la creazione di elettroni pesanti che potrebbe essere esteso ad altri sistemi, stimolando così la ricerca di materiali artificiali con nuove proprietà funzionali." Spiega David Serrate, scienziato all'ICMA e leader di questo studio.

Le esotiche proprietà elettroniche e magnetiche di questi materiali anticipano il loro possibile utilizzo per applicazioni quali sensori, dispositivi superconduttori, o per esplorare processi quantistici critici. Gli elettroni pesanti si comportano in modo drasticamente diverso dagli elettroni normali perché la loro risposta alla temperatura e alla pressione dei campi magnetici scala con la massa degli elettroni. Inoltre, l'osservazione di questi nuovi stati ispira nuovi modelli teorici che ci permettono di esplorare i limiti quantistici della materia e progettare nuovi materiali artificiali con comportamenti elettronici personalizzati.