Kristalli elektronide asetuse ja vastastikmõju jälgimiseks loodud spetsiaalse mikroskoobi abil said teadlased hiljuti esimesed kujutised elektronidest, mil tundub teatud ekstreemsete tingimuste korral olevat erakordselt suur mass. See tehnika paljastab ebahariliku faasiülemineku põhjuse ühes kindlas materjalis ning avab ukse teistelegi nn. raskete fermionide omaduste ja funktsioonide uurimustöödele. Antud uurimus viidi läbi Brookhaveni Riiklikus Laboratooriumis, McMaster’i Ülikoolis ning Los Alamose Riiklikus Laboratooriumis, teadustöö tulemused kajastusid ajakirja Nature 3. juuni väljaandes.,,Füüsikud on juba pea 30 või 40 aastat olnud huvitatud raskete fermionide küsimusest: miks need elektronid käituvad kindlates tingimustes nagu nad oleksid sadu või tuhandeidki kordi raskemad,” sõnas üks uurimuse juhte Seamus Davis, füüsik Brookhaveni Laboratooriumis ning füüsikaprofessor Cornelli Ülikoolis. Raskete fermionide käitumise mõistmine avaks tee uute materjalide väljatöötamiseks kõrgtemperatuuri ülijuhtidele. Ülijuhtivuse korral toimub voolu juhtimine ilma energiakadudeta.
Sellel skemaatilisel joonisel on üksikud elektronid(valged sfäärid) URu2Si1 kristallis liikudes vastastikmõjus uraani aatomitega(kujutatud kollaste ja siniste f-eletroni orbitaalidena uraani aatomis). Need vastasmõjud takistavad märgatavalt elektronide liikumist, mistõttu paistab, et neil on tohutu suur mass - efekt, millest antud uurimustöös saadi esimesed kujutised.
Antud uurimuses pildistasid teadlased uraanist, ruteeniumist ja ränist koosneva materjali elektroonilisi omadusi, materjal ise on juba 25 aastat olnud teadusmüsteeriumiks. Selles McMasteri Ülikoolis Graeme Luke‘i töörühma poolt sünteesitud materjalis hakkavad raskete fermionide efektid ilmnema materjali jahutamisel alla 55 Kelvini(-218 °C). Temperatuuril alla 17,5 Kelvini toimub veelgi ebatavalisem faasiüleminek.
Varem arvati, et selline madalatel temperatuuridel toimuv faasiüleminek tuleneb mingist seesmisest korraldusest. Ei suudetud teha vahet, kas see on seotud lainena käituvate elektronide kollektiivse käitumise või üksikute elektronide vastasmõjust uraani aatomitega. Alexander Balatsky, teoreetiline füüsik Los Alamoses, pakkus välja viisi selle probleemi uurimiseks.
Tema juhendeid järgides kasutas Davis’e töörühm selleks spetsiaalselt disainitud tehnikat, mille abil sai visualiseerida elektronide käitumist ning seeläbi ‘näha,’ mida elektronid müstilisel faasiüleminekul tegid. See tehnika, spektroskoopiline kujutav-skaneeriv tunnelmikroskoopia(spectroscopic imaging scanning tunneling microscopy, SI-STM), mõõdab materjali pinnal asuvate elektronide lainepikkuse sõltuvust nenede energiast.
,,Kui kujutada ette lendamist üle veekogu, kus seisulained liiguvad üles ja alla, kuid ei liigu kalda suunas,” sõnas Davis. ,,Kui mööduda laine paisust, saab vett puudutada, kui sõlmedest, siis seda teha ei saa. See on sarnane meie mikroskoobi tööviisile. See annab teada kui paljud elektronid materjali igas pinnapunktis suudavad ‘hüpata’ mikroskoobi terani.
Lainepikkuste ja energiate mõõtmistest saavad teadlased arvutada elektronide efektiivse massi.
,,See meetod näitab, et meil on tegu väga raskete elektronidega või siis elektronidega, mis käituvad nagu nad oleksid eriti rasked, sest mingil põhjusel nende liikumine aeglustub,” selgitas Davis.
Raskete elektronide omaduste detekteerimine allpool teist üleminekutemperatuuri tõestab eksperimentaalselt, et elektronid on pigem vastastikmõjus uraaniga, kui et käituvad lainena.
Selle visualiseerimiseks võib ette kujutada jalgpallimeeskonda jooksmas väljakul pärast lahtilööki. Kui iga mängija oleks vaba jooksmaks takistamatult, paistaks, et kogu meeskond käitub kui võrdlemisi sõltumatutest ‘elektronidest’ koosnev laine. Kui kui kujutada hoopiski ette, et igale poole üle platsi on asetatud toole ning iga mängija peab tooli juurde jõudes enne jätkamist sellel korraks istuma. Sellisel juhul on toolid uraani aatomite analoogiks. Toolide ja mängijate(ehk siis elektronide ja uraani aatomite) vaheline vastasmõju aeglustab silmnähtavalt mängu käiku.
Uraanist materjali puhul kestab elektronide aeglustumine kõigest murdosa sekundi iga uraani aatomi juures. Kuid et kineetiline energia ja mass on matemaatilises sõltuvuses, paistab aeglustumise tõttu, et elektronid on vabadest elektronidest palju massiivsemad.
Lisaks nende vastastikmõjude – sisemiste korralduste – paljastamisele uuraanist materjalis, demonstreerib Davis’e uurimus, et SI-STM tehnikat saab kasutada raskete elektronide uurimiseks. See aga avab ukse fenomeni uurimise ja visualiseerimise uutele viisidele.
,,Rasked fermionid on siiski nii mitmeski aspektis müstilised ning meie kui teadlaste töö on nendele küsimustele lahendus leida,” lõpetas Davis.