Les patineurs artistiques olympiques et les électrons ont beaucoup en commun. Dans les compétitions de patinage artistique, le segment « patinage libre » donne au patineur la flexibilité de se déplacer selon le modèle qu'il choisit autour de la patinoire. De la même manière, dans les métaux, les électrons dans les orbitales externes peuvent errer assez librement.

Cependant, lorsque le champ magnétique augmente considérablement, les chercheurs ont découvert que le mouvement de ces électrons devient beaucoup plus étroitement confiné. Leur comportement ressemble à celui des patineurs artistiques qui effectuent des rotations serrées et des sauts obligatoires.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs ont utilisé des champs magnétiques extrêmement élevés, équivalents à ceux trouvés au centre des étoiles à neutrons, pour modifier le comportement électronique. En observant le changement de comportement de ces électrons, les scientifiques peuvent être en mesure d'acquérir une compréhension enrichie du comportement des matériaux.

"Les règles du jeu sont modifiées lorsque nous appliquons un champ magnétique de cette intensité, " a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Anand Bhattacharya, qui a dirigé la recherche. "La nature de ce nouvel état que nous voyons est débattue théoriquement depuis plus d'un demi-siècle, mais les expériences pour mesurer ses propriétés ont été difficiles à trouver."

Pour créer le champ magnétique très élevé nécessaire, Bhattacharya a utilisé les installations du National High Magnetic Field Lab à Tallahassee, Floride. Là, avec son collègue Alexey Souslov, il a examiné des cristaux de titanate de strontium, semblable au diamant synthétique, qui a la propriété inhabituelle de permettre à l'électricité de circuler même lorsque les électrons sont extrêmement rares et lents.

Le mouvement lent des électrons à l'intérieur du cristal les rend particulièrement sensibles aux forces magnétiques. Les chercheurs ont observé que les propriétés quantiques des électrons changeaient radicalement lorsque les cristaux étaient soumis à des champs magnétiques élevés et refroidis à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

L'ancien chercheur postdoctoral d'Argonne Brian Skinner (maintenant au MIT) et l'ancien chercheur postdoctoral des National Institutes of Standards and Technology Guru Khalsa (maintenant à Cornell) ont fourni les informations théoriques qui ont aidé les chercheurs à comprendre leurs résultats. Ils ont proposé que dans des champs magnétiques très élevés, les électrons forment des "flaques" spatialement inhomogènes, une découverte surprenante qui a été soutenue par des aspects clés des données.

Bien que Bhattacharya hésite à identifier de nouvelles technologies qui pourraient être créées pour tirer parti de ce nouveau régime matériel, il a déclaré que le résultat est encourageant pour les scientifiques qui cherchent à mieux comprendre les propriétés inhabituelles de certains matériaux.

"Quand nous repoussons les limites jusqu'où nous pouvons prendre des électrons, une nouvelle physique émerge, " dit Bhattacharya. " Si vous pensez à notre compréhension des électrons, nous comprenons les métaux, où les électrons se déplacent librement, et nous comprenons également le comportement des électrons très localisés. Mais si vous pouvez ouvrir la porte à ces régions intermédiaires, vous pouvez faire de nouvelles découvertes."