Un électron unique et isolé a une charge électrique claire, moment et masse magnétique, et sa libre circulation peut être prédite avec précision. Des scientifiques espagnols ont fabriqué un matériau artificiel à l'échelle nanométrique manipulant les atomes les uns après les autres et ont découvert que les électrons peuvent devenir plus lourds. Les électrons lourds sont des particules prometteuses qui confèrent de nouvelles fonctionnalités à de nouveaux matériaux. Cette étude est le résultat d'une collaboration internationale menée par l'Instituto de Nanociencia de Aragón et l'Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), auquel ont participé des scientifiques du CIC nanoGUNE, avec les membres du Centro de Física de Materiales (CFM) de Saint-Sébastien, et l'Université Charles et l'Académie tchèque des sciences, en République tchèque.

L'étude a été publiée dans la revue Communication Nature et montre qu'il est possible de fabriquer des matériaux artificiels, un par un, pour produire des propriétés électroniques et magnétiques qui n'existent dans aucun matériau trouvé dans la nature. Dans ce cas, les scientifiques ont observé que les électrons conventionnels d'un métal deviennent des électrons lourds (le terme technique est fermions lourds) à proximité de structures atomiques ordonnées d'atomes magnétiques (cobalt) disposés à la surface. Les fermions lourds sont des états électroniques qui apparaissent lorsque des électrons normaux, qui sont intrinsèquement magnétiques, sont attirés vers la structure d'atomes magnétiques disposés périodiquement.

Les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel à basse température pour étudier la forme de ces états électroniques et démontrer qu'ils correspondent à l'émergence d'un état de fermion lourd. C'est la première fois que la formation de tels nouveaux états de la matière est surveillée en construisant le matériau artificiel un atome à la fois. "Nous avons constaté que l'empreinte magnétique de ces électrons s'étendait délocalisée le long d'une chaîne magnétique pouvant atteindre 20 atomes de cobalt, permettant de démontrer qu'ils correspondent à un nouvel état électronique de la matière, et fournir un modèle théorique de création d'électrons lourds qui pourrait être étendu à d'autres systèmes, boostant ainsi la recherche de matériaux artificiels dotés de nouvelles propriétés fonctionnelles. » explique David Serrate, scientifique à l'ICMA et responsable de cette étude.

Les propriétés électroniques et magnétiques exotiques de ces matériaux anticipent leur utilisation possible pour des applications telles que les capteurs, dispositifs supraconducteurs, ou pour explorer des processus quantiques critiques. Les électrons lourds se comportent radicalement différemment des électrons normaux car leur réponse à la température et à la pression des champs magnétiques s'adapte à la masse des électrons. En outre, l'observation de ces nouveaux états inspire de nouveaux modèles théoriques qui nous permettent d'explorer les limites quantiques de la matière et de concevoir de nouveaux matériaux artificiels avec un comportement électronique personnalisé.