I kvantmaterial baserade på övergångsmetaller, sällsynta jordartsmetaller och aktinidelement, elektroniska tillstånd kännetecknas av elektroner i orbitaler d och f, kombinerat med solidens starka bandbildning. Tills nu, att uppskatta de specifika orbitaler som bidrar till materialens marktillstånd och bestämma deras fysiska egenskaper, forskare har i första hand förlitat sig på teoretiska beräkningar och spektroskopimetoder.

I en ny studie publicerad i Naturfysik , ett team av forskare vid Max Planck Institute Dresden, Heidelbergs universitet, Kölnuniversitetet, och DESY- Hamburg försökte avbilda ett materials aktiva orbitaler direkt i det verkliga rummet, utan någon modell. Bildtekniken de utarbetade är baserad på s-core-nivå och icke-resonant oelastisk röntgenspridning.

"Vi är intresserade av hur material uppnår sina egenskaper, "Hao Tjeng, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi vill veta hur dessa kan förklaras utifrån elektronernas beteende i materialen. Vi är mest intresserade av övergångsmetall (3d, 4d, 5d) och sällsynta jordbaserade (4f) material, eftersom de erbjuder en mängd fascinerande och justerbara egenskaper, viktigt för grundvetenskap och för många andra tillämpningar. "

När de började arbeta med sin studie, Tjeng och hans kollegor visste att de kvantmekaniska ekvationerna som de skulle behöva lösa var olösliga, eftersom relevanta beräkningar skulle ta en oändlig tid. De insåg således att det skulle vara mycket mer praktiskt och användbart att avbilda orbitalerna i praktiska experiment.

"Vanligtvis, för att bestämma vilken typ av kvantmekaniska tillstånd som realiseras i ett material, man utför spektroskopiska mätningar, "Tjeng förklarade." Dessa har sina meriter, men också deras begränsningar:man måste fortfarande göra beräkningar för att extrahera informationen, och ofta är resultaten inte korrekta eller pålitliga. Vi letade därför efter en ny metod som kan ge en direkt bild av det kvantmekaniska tillståndet direkt för experimentet. Maurits Haverkort och jag insåg att oelastisk röntgenspridning kan ge en sådan möjlighet. "

Med hjälp av röntgenstrålar och stora momentumöverföringar, forskarna kunde observera atomövergångar i provet som annars skulle vara förbjudna i standardförsök, såsom röntgen eller optisk absorptionsspektroskopi. Haverkort och Tjeng insåg att genom att göra en övergång från ett sfäriskt atomtillstånd (t.ex. 3s) kunde de uppnå formen av en 3d -orbital med avseende på fotonets momentumöverföring.

"Initialt, allt detta var teori, "Sa Tjeng." Vi gav oss sedan ut för att göra experimentet, investera och uppgradera ett befintligt instrument vid PETRA-III-synkrotronanläggningen, för att få tillräcklig signal, med tanke på att detta är ett mycket foton hungrig experiment. Efter några ansträngningar, vi kunde verkligen observera signalen och resultaten som vi hade tänkt oss. "

I deras experiment, Tjeng och hans kollegor använde synkrotronstrålning som en 'böljande' strållinje, för att leverera monokromatiska röntgenstrålar med hög intensitet. De riktade röntgenstrålen mot ett prov, specifikt en enda kristall; sedan upptäckte och analyserade de spridda röntgenstrålar.

"Genom att titta på intensiteten i en särskild atomprocess (i vårt fall '3s-till-3d-excitationen') som en funktion av provets orientering med avseende på den överförda foton-momentum och genom att visa dessa intensiteter på en polär komplott, vi fick en direkt bild av 3d -banan., Sa Tjeng.

I deras studie, Tjeng och hans kollegor kunde demonstrera effektiviteten, både när det gäller kraft och noggrannhet, av bildtekniken som föreslås av dem. De tillämpade framgångsrikt sin metod på ett läroboksexempel, x ² y ² /3z ² -r ² orbital för Ni ²⁺ jon i en NiO -enkristall.

"Genom att direkt kunna avbilda de orbitaler som är aktiva i ett material, vi kommer att få en bättre och mer exakt inblick i beteendet hos elektronerna som är ansvariga för materialets egenskaper, "Sa Tjeng. Detta är särskilt viktigt för design av nya material med nya eller optimerade egenskaper, vilket är mycket önskvärt av både fysik- och kemiforskningsmiljöer. "

Tjeng och hans kollegor har presenterat ett konkret och effektivt alternativ till nuvarande metoder för att studera orbitaler i kvantmaterial, vilket i slutändan kan förbättra forskningen inom både fysik och kemi. I deras framtida arbete, de planerar att använda sin teknik för att studera andra komplexa material. Dessutom, de skulle vilja förbättra apparater och instrument som används enligt deras metod, så att den kan bli en standardmätkälla, såsom enkristallröntgen eller neutrondiffraktionsmätning.

© 2019 Science X Network