Elektroner pytter under høje magnetfelter, undersøgelse afslører

Olympiske kunstskøjteløbere og elektroner har meget tilfælles. I kunstskøjteløbskonkurrencer, segmentet "frie skøjter" giver skateren fleksibiliteten til at rejse i det mønster, han eller hun vælger rundt på banen. Tilsvarende i metaller, elektroner i ydre orbitaler kan vandre ret frit.

Imidlertid, når magnetfeltet øges dramatisk, forskere har fundet ud af, at disse elektroners bevægelse bliver meget mere stramt begrænset. Deres adfærd ligner kunstløbere, der gennemfører obligatoriske stramme spins og spring.

I en ny undersøgelse fra US Department of Energy's (DOE's) Argonne National Laboratory, forskere brugte ekstremt høje magnetfelter - svarende til dem, der findes i midten af ​​neutronstjerner - til at ændre elektronisk adfærd. Ved at observere ændringen i disse elektroners adfærd, forskere kan muligvis få en beriget forståelse af materiel adfærd.

"Spillets regler ændres, når vi anvender et magnetfelt af denne intensitet, "sagde Argonne materialeforsker Anand Bhattacharya, der ledede forskningen. "Arten af ​​denne nye stat, som vi ser, er blevet debatteret teoretisk i over et halvt århundrede, men eksperimenter for at måle dets egenskaber har været svære at finde på. "

For at skabe det nødvendige meget høje magnetfelt, Bhattacharya brugte faciliteterne i National High Magnetic Field Lab i Tallahassee, Florida. Der, med kollega Alexey Suslov, han undersøgte krystaller af strontiumtitanat, ligner syntetisk diamant, som har den usædvanlige egenskab at tillade elektricitet at strømme, selv når elektroner er ekstremt sparsomme og langsomt i bevægelse.

Elektronernes langsomme bevægelse inde i krystallen gør dem særligt modtagelige for magnetiske kræfter. Forskerne observerede, at elektronernes kvanteegenskaber ændrede sig dramatisk, da krystallerne blev sat under høje magnetfelter og afkølet til blot et par hundrededele af en grad over det absolutte nul.

Den tidligere Argonne -postdoktorforsker Brian Skinner (nu på MIT) og tidligere National Institutes of Standards and Technology -postdoktorforsker Guru Khalsa (nu på Cornell) gav den teoretiske indsigt, der hjalp forskerne med at forstå deres resultater. De foreslog, at i meget høje magnetfelter, elektronerne danner rumligt inhomogene "vandpytter" et overraskende fund, der blev understøttet af centrale aspekter af dataene.

Selvom Bhattacharya tøver med at identificere nye teknologier, der kan skabes for at drage fordel af dette nye materielle regime, han sagde, at resultatet er opmuntrende for forskere, der ønsker at udvikle en fyldigere forståelse af visse materialers usædvanlige egenskaber.

"Når vi skubber de grænser, som vi kan tage elektroner til, ny fysik dukker op, "Sagde Bhattacharya." Hvis du tænker på vores forståelse af elektroner, vi forstår metaller, hvor elektroner bevæger sig frit, og vi forstår også adfærden hos stærkt lokaliserede elektroner. Men hvis du kan åbne døren til de mellemliggende regioner, du kan gøre nye opdagelser. "