Un solo electrón aislado tiene una carga eléctrica clara, momento y masa magnéticos, y su libre movimiento se puede predecir con precisión. Los científicos españoles fabricaron un material artificial a nanoescala manipulando átomos uno tras otro y descubrieron que los electrones pueden volverse más pesados. Los electrones pesados ​​son partículas prometedoras que dotan de nuevas funcionalidades a materiales novedosos. Este estudio es el resultado de una colaboración internacional liderada por el Instituto de Nanociencia de Aragón y el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), en el que participaron científicos del CIC nanoGUNE, junto con miembros del Centro de Física de Materiales (CFM) en San Sebastián, y la Universidad Charles y la Academia Checa de Ciencias, En la República Checa.

El estudio ha sido publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza y demuestra que es posible fabricar materiales artificiales, uno a uno, para producir propiedades electrónicas y magnéticas que no existen en ningún material que se encuentre en la naturaleza. En este caso, los científicos observaron que los electrones convencionales en un metal se convierten en electrones pesados ​​(el término técnico es fermiones pesados) en la proximidad de estructuras atómicas ordenadas de átomos magnéticos (cobalto) dispuestos sobre la superficie. Los fermiones pesados ​​son estados electrónicos que aparecen cuando los electrones normales, que son intrínsecamente magnéticos, son atraídos hacia la estructura de átomos magnéticos dispuestos periódicamente.

Los investigadores emplearon un microscopio de efecto túnel a bajas temperaturas para estudiar la forma de estos estados electrónicos y demostrar que corresponden a la aparición de un estado de fermión pesado. Esta es la primera vez que la formación de estos estados novedosos de la materia fue monitoreada construyendo el material artificial un átomo a la vez. "Descubrimos que la huella magnética de estos electrones se extendía deslocalizada a lo largo de una cadena magnética de hasta 20 átomos de cobalto, permitiéndonos demostrar que corresponden a un nuevo estado electrónico de la materia, y proporcionar un modelo teórico para la creación de electrones pesados ​​que podría extenderse a otros sistemas, impulsando así la búsqueda de materiales artificiales con propiedades funcionales novedosas ". Explica David Serrate, científico del ICMA y líder de este estudio.

Las exóticas propiedades electrónicas y magnéticas de estos materiales anticipan su posible uso para aplicaciones como sensores, dispositivos superconductores, o para explorar procesos cuánticos críticos. Los electrones pesados ​​se comportan drásticamente diferente a los electrones normales porque su respuesta a la temperatura y presión de los campos magnéticos escala con la masa de los electrones. Adicionalmente, La observación de estos estados novedosos inspira nuevos modelos teóricos que nos permiten explorar los límites cuánticos de la materia y diseñar nuevos materiales artificiales con comportamiento electrónico personalizado.