Begreppet "valens" - förmågan hos en viss atom att kombinera med andra atomer genom att utbyta elektroner - är en av hörnstenarna i modern kemi och solid -state fysik.

Valence styr viktiga egenskaper hos molekyler och material, inklusive deras bindning, kristallstruktur, och elektroniska och magnetiska egenskaper.

För fyra decennier sedan, en klass av material som kallas "blandade valens"-föreningar upptäcktes. Många av dessa föreningar innehåller element nära botten av det periodiska systemet, så kallade "sällsynta jordartsmetaller", vars valens upptäcktes variera med temperaturförändringar i vissa fall. Material som innehåller dessa element kan visa ovanliga egenskaper, exotisk supraledning och ovanlig magnetism.

Men det har funnits ett olöst mysterium i samband med blandade valensföreningar:När valentillståndet för ett element i dessa föreningar förändras med ökad temperatur, antalet elektroner associerade med det elementet minskar, också. Men vart tar dessa elektroner vägen?

Med hjälp av en kombination av toppmoderna verktyg, inklusive röntgenmätningar vid Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), en grupp ledd av Kyle Shen, professor i fysik, och Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson professor i industrikemi vid institutionen för materialvetenskap och teknik, har kommit med svaret.

Deras arbete beskrivs i ett papper, "Lifshitz -övergång från valensfluktuationer i YbAl3, "publicerad i Naturkommunikation . Huvudförfattare är Shouvik Chatterjee, tidigare i Shens forskargrupp och nu postdoktor vid University of California, Santa Barbara.

För att ta itu med detta mysterium, Chatterjee syntetiserade tunna filmer av den blandade valensföreningen av ytterbium - vars valens ändras med temperaturen - och aluminium, använder en process som kallas molekylär strålepitaxi, en specialitet från Schlom lab. Gruppen använde sedan vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) för att undersöka fördelningen av elektroner som en funktion av temperaturen för att spåra var de saknade elektronerna tog vägen.

"Typiskt för alla material, du ändrar temperaturen och mäter antalet elektroner i en given orbital, och det förblir alltid detsamma, "Shen sa." Men människor fann att i några av dessa material, som den speciella föreningen vi studerade, den siffran ändrades, men de saknade elektronerna måste gå någonstans. "

Det visar sig att när föreningen värms upp, elektronerna som förloras från ytterbiumatomen bildar sitt eget "moln, "av olika slag, utanför atomen. När föreningen kyls, elektronerna återgår till ytterbiumatomerna.

"Du kan se det som två glas som innehåller lite vatten, "Shen sa, "och du häller fram och tillbaka från det ena till det andra, men den totala mängden vatten i båda glasen förblir fast. "

Detta fenomen föreslogs först av 1900-talets ryska fysiker Evgeny Lifshitz, men ett svar på elektronmysteriet hade inte föreslagits förrän nu.

"Dessa fynd pekar på vikten av valensförändringar i dessa materialsystem. Genom att ändra arrangemanget av mobila elektroner, de kan dramatiskt påverka nya fysiska egenskaper som kan dyka upp, sa Chatterjee.

"Detta placerar vår förståelse av dessa material på en bättre grund, "Sa Shen.

Andra bidragsgivare var Ken Finkelstein, senior personalvetare vid CHESS; och doktoranderna Jacob Ruf och Haofei Wei från Shen Group.