Kur šie elektronai eina? Dešimtmečiai senas paslaptis išspręsta

Anonim

"Valensijos" sąvoka - tam tikro atomo sugebėjimas sujungti kitus atomus, keičiant elektronus - yra vienas iš šiuolaikinės chemijos ir kietosios kūno fizikos pagrindų.

Valence kontroliuoja svarbiausias molekulių ir medžiagų savybes, įskaitant jų klijavimą, kristalų struktūrą ir elektronines bei magnetines savybes.

Prieš keturis dešimtmečius buvo atrinkta medžiagų klasė, vadinama "mišrios valentinės" junginiais. Daugelyje šių junginių yra elementų, esančių šalia periodinės lentelės dugno, vadinamieji "retųjų žemių" elementai, kurių kai kuriais atvejais buvo nustatyta, kad valentingumas skiriasi priklausomai nuo temperatūros pokyčių. Medžiagos, sudarančios šiuos elementus, gali parodyti neįprastas savybes, tokias kaip egzotinis superlaidumas ir neįprastas magnetizmas.

Tačiau yra ir neišspręstas paslaptis, susijęs su mišriomis valentingumo junginiuose: kai šių elementų elemento valentinė būklė pasikeičia su padidėjusia temperatūra, elektronų, susijusių su tuo elementu, skaičius taip pat mažėja. Bet kur tik šie elektronai eina?

Naudojant naujausias priemones, įskaitant rentgeno spindulių matavimus "Cornell High Energy Synchrotron" šaltinio (CHESS), fizikos profesoriaus Kyle Shen vadovaujamos grupės ir Herbert Fisk Johnson profesoriaus Darrell Schlom grupės Pramonės chemija Medžiagotyros ir inžinerijos katedroje atsakė.

Jų darbas išsamiai aprašytas straipsnyje "Lifšitsas perėjimas nuo valentinės svyravimų YbAl3", paskelbtas " Nature Communications". Švinas autorius yra Shouvik Chatterjee, buvusi "Shen" mokslinių tyrimų grupė, o dabar Kalifornijos universiteto Santa Barbaros postdoktorė.

Norėdami išspręsti šį paslaptį, Chatterjee sintezė plonus sluoksnius iš ytterbio mišriojo valentingumo junginio, kurio valentingumas pasikeičia į temperatūrą, ir aliuminio, naudojant molekulinės spindulių epitaksijos technologiją, specialybę Schlom laboratorijoje. Tada grupė naudojo kampų išsiskyrusią fotomemijos spektroskopiją (ARPES), kad ištirtų elektronų pasiskirstymą kaip temperatūros funkciją, kad būtų galima stebėti, kur trūksta elektronų.

"Paprastai bet kokiai medžiagai jūs keičiate temperatūrą ir matuojate elektronų skaičių tam tikroje orbitoje, ir ji visada išlieka tokia pati", - sakė Shenas. "Bet žmonės nustatė, kad kai kuriuose iš šių medžiagų, pavyzdžiui, konkretaus junginio, kurį mes tyrėme, šis skaičius pasikeitė, tačiau trūkstami elektronai turi kažkur eiti".

Pasirodo, kad kai junginys yra šildomas, elektronai, prarasti iš natrio atomio, formuoja savo "debesis", rūšis, už atomo. Kai junginys yra atšaldomas, elektronai grįžta prie ytterbio atomų.

"Jūs galite tai galvoti kaip dvi stiklines, kuriose yra šiek tiek vandens, - sakė Shen'as, - ir jūs išpilkite iš vieno į kitą, bet bendras abiejuose stikliniuose vandens kiekis išlieka fiksuotas."

Šis reiškinys pirmą kartą buvo pasiūlytas Rusijos fizikė XX a. Jevgenijus Лифшиц, tačiau iki šiol nebuvo pasiūlyta atsakyti į elektronų paslaptį.

"Šios išvados rodo, kad svarbios šių medžiagų sistemų valentingumo pasikeitimai. Keičiant mobiliųjų elektronų išdėstymą, jie gali smarkiai paveikti naujas fizines savybes, kurios gali atsirasti", - sakė Chatterjee.

"Tai padaro mūsų supratimą apie šias medžiagas geresnei padėčiai", - sakė Shenas.

Kiti įnašai buvo Ken Finkelstein, CHESS vyresnysis mokslinis bendradarbis; ir doktorantai Jacos Rufas ir Haofei Wei iš Shen grupės.

menu
menu