Валентность контролирует важные свойства молекул и материалов, включая их связь, кристаллическую структуру, а также электронные и магнитные свойства.Четыре десятилетия назад был открыт класс материалов, называемых соединениями "смешанной валентности". Многие из этих соединений содержат элементы в нижней части периодической таблицы, так называемые «редкоземельные» элементы, валентность которых в некоторых случаях изменяется при изменении температуры.
Материалы, содержащие эти элементы, могут проявлять необычные свойства, такие как экзотическая сверхпроводимость и необычный магнетизм.Но есть нерешенная загадка, связанная со смешанными валентными соединениями: когда валентное состояние элемента в этих соединениях изменяется с повышением температуры, количество электронов, связанных с этим элементом, также уменьшается. Но куда же деваются эти электроны?Используя комбинацию самых современных инструментов, включая рентгеновские измерения на Корнеллском высокоэнергетическом синхротронном источнике (CHESS), группа под руководством Кайла Шена, профессора физики, и Даррелла Шлома, профессора Герберта Фиска Джонсона.
Промышленная химия на факультете материаловедения и инженерии нашла ответ.Их работа подробно описана в статье «Переход Лифшица от колебаний валентности в YbAl3», опубликованной в Nature Communications.
Ведущий автор — Шовик Чаттерджи, ранее работавший в исследовательской группе Шена, а ныне научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Чтобы решить эту загадку, Чаттерджи синтезировал тонкие пленки из соединения иттербия со смешанной валентностью, валентность которого изменяется с температурой, и алюминия, используя процесс, называемый молекулярно-лучевой эпитаксией, специальностью лаборатории Шлома. Затем группа использовала фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), чтобы исследовать распределение электронов в зависимости от температуры, чтобы отследить, куда уходят пропавшие электроны.«Обычно для любого материала вы меняете температуру и измеряете количество электронов на данной орбитали, и оно всегда остается неизменным», — сказал Шен. «Но люди обнаружили, что в некоторых из этих материалов, таких как конкретное соединение, которое мы изучали, это число изменилось, но эти недостающие электроны должны куда-то уйти».Оказывается, когда соединение нагревается, электроны, потерянные атомом иттербия, образуют свое собственное «облако» вне атома.
Когда соединение охлаждается, электроны возвращаются к атомам иттербия.«Вы можете думать об этом как о двух стаканах, в которых есть немного воды, — сказал Шен, — и вы перетекаете из одного в другой, но общее количество воды в обоих стаканах остается неизменным».Это явление было впервые предложено российским физиком 20-го века Евгением Лифшицем, но до сих пор не было предложено ответа на загадку электрона.«Эти результаты указывают на важность изменений валентности в этих материальных системах.
Изменяя расположение мобильных электронов, они могут резко повлиять на новые физические свойства, которые могут появиться», — сказал Чаттерджи.«Это улучшает наше понимание этих материалов», — сказал Шен.