Direkte billeddannelse af aktive orbitaler i kvantematerialer

I kvantematerialer baseret på overgangsmetaller, sjældne jordarter og actinidelementer, elektroniske tilstande er karakteriseret ved elektroner i orbitaler d og f, kombineret med faststoffets stærke bånddannelse. Indtil nu, at estimere de specifikke orbitaler, der bidrager til grundtilstanden for disse materialer og bestemme deres fysiske egenskaber, forskere har primært stolet på teoretiske beregninger og spektroskopimetoder.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , et team af forskere ved Max Planck Institute Dresden, Heidelberg Universitet, Universitetet i Köln, og DESY- Hamburg forsøgte at forestille sig et materiales aktive orbitaler direkte i det virkelige rum, uden nogen form for modellering. Billedteknikken, de udtænkte, er baseret på s-kerneniveau og ikke-resonant uelastisk røntgenspredning.

"Vi er interesserede i, hvordan materialer opnår deres egenskaber, "Hao Tjeng, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi vil gerne vide, hvordan disse kan forklares ud fra elektronernes adfærd i materialerne. Vi er mest interesserede i overgangsmetal (3d, 4d, 5d) og sjældne jordbaserede (4f) materialer, da de tilbyder et væld af fascinerende og indstillelige ejendomme, vigtigt for grundvidenskab og for mange andre applikationer. "

Da de først begyndte at arbejde på deres studie, Tjeng og hans kolleger vidste, at de kvantemekaniske ligninger, de skulle løse, var uløselige, da de relevante beregninger ville tage uendelig lang tid. De indså således, at det ville være langt mere praktisk og nyttigt at afbilde orbitalerne i praktiske forsøg.

"Som regel, for at bestemme hvilken type kvantemekaniske tilstande der realiseres i et materiale, man udfører spektroskopiske målinger, "Forklarede Tjeng." Disse har deres fordele, men også deres begrænsninger:man skal stadig lave beregninger for at udtrække oplysningerne, og ofte er resultaterne ikke nøjagtige eller pålidelige. Vi ledte derfor efter en ny metode, der kan give et direkte billede af den kvantemekaniske tilstand lige til eksperimentet. Maurits Haverkort og jeg indså, at uelastisk røntgenspredning kunne give en sådan mulighed. "

Ved hjælp af røntgenstråler og store momentumoverførsler, forskerne var i stand til at observere atomovergange i prøven, som ellers ville være forbudt i standardforsøg, såsom røntgen eller optisk absorptionsspektroskopi. Haverkort og Tjeng indså, at de ved at lave en overgang fra en sfærisk atomtilstand (f.eks. 3s) kunne opnå formen af ​​en 3d orbital med hensyn til fotonmomentoverførsel.

"I første omgang, alt dette var teori, "Sagde Tjeng." Vi gik derefter ud for at lave forsøget, investering og opgradering af et eksisterende instrument på PETRA-III synkrotronfaciliteten, for at have tilstrækkeligt signal, i betragtning af at dette er et meget foton sultent eksperiment. Efter nogle anstrengelser, vi var virkelig i stand til at observere det signal og de resultater, vi havde forestillet os. "

I deres eksperiment, Tjeng ad hans kolleger brugte synkrotronstråling som en 'undulator' strålelinje, at levere monokromatiske røntgenstråler med høje intensiteter. De rettede røntgenstrålen mod en prøve, specifikt en enkelt krystal; derefter opdagede og analyserede de spredte røntgenstråler.

"Ved at se intensiteten af ​​en bestemt atomproces (i vores tilfælde '3s-til-3d-excitationen') som en funktion af orienteringen af ​​prøven med hensyn til det overførte foton-momentum og ved at vise disse intensiteter på en polar grund, vi opnåede et direkte billede af 3d -kredsløbet., "Sagde Tjeng.

I deres undersøgelse, Tjeng og hans kolleger var i stand til at demonstrere effektiviteten, både hvad angår kraft og nøjagtighed, af den billeddannelsesteknik, de foreslår. De anvendte deres metode med succes på et lærebogseksempel, x'et ² y ² /3z ² -r ² kredsløb af Ni ²⁺ ion i en NiO -enkeltkrystal.

"Ved at kunne direkte forestille sig de orbitaler, der er aktive i et materiale, vi får en bedre og mere præcis indsigt i opførselen af ​​de elektroner, der er ansvarlige for materialets egenskaber, " sagde Tjeng. Dette er især vigtigt for design af nye materialer med nye eller optimerede egenskaber, hvilket er stærkt ønsket af både fysik- og kemiforskningssamfundene. "

Tjeng og hans kolleger har præsenteret et håndgribeligt og effektivt alternativ til nuværende metoder til undersøgelse af orbitaler i kvantematerialer, som i sidste ende kunne styrke forskningen i både fysik og kemi. I deres fremtidige arbejde, de planlægger at bruge deres teknik til at studere andre komplekse materialer. Ud over, de vil gerne forbedre det apparat og de instrumenter, der anvendes ved deres metode, så det kan blive en standard målekilde, såsom enkeltkrystal røntgen- eller neutrondiffraktionsmåling.

© 2019 Science X Network