Direkte observation af en enkelt elektron sommerfugleformet fordeling i titaniumoxid

Faste materialers funktioner og fysiske egenskaber, såsom magnetisk orden og ukonventionel superledning, er i høj grad påvirket af kredsløbstilstanden af ​​de yderste elektroner (valenselektroner) af de konstituerende atomer. Med andre ord, man kan sige, at den minimale enhed, der bestemmer et fast materiales fysiske egenskaber, består af orbitalerne optaget af valenselektronerne. I øvrigt, en orbital kan også betragtes som en minimal enhed af 'form, ' så orbitaltilstanden i et fast stof kan udledes ud fra observation af den rumlige anisotrope fordeling af elektroner (med andre ord, fra hvordan elektronfordelingen afviger fra sfærisk symmetri).

Orbitaltilstandene i grundstoffer er grundlæggende viden, der kan findes i lærebøger om kvantemekanik eller kvantekemi. For eksempel, det er kendt, at 3d-elektronerne i overgangselementer som jern og nikkel har karakteristiske former af sommerfugle- eller kalebasser. Imidlertid, indtil nu, det har været ekstremt vanskeligt at observere den reelle rumfordeling af sådanne elektronorbitaler direkte.

Nu, et forskningssamarbejde mellem Nagoya University, University of Wisconsin-Milwaukee, Japans RIKEN og Institut for Molekylær Videnskab, universitetet i Tokyo, og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), har observeret den rumlige fordeling af en enkelt valenselektron i midten af ​​et oktaederformet titaniumoxidmolekyle, ved anvendelse af synkrotron røntgendiffraktion.

For at analysere røntgendiffraktionsdata fra titaniumoxidprøven, holdet udviklede en Fourier-syntesemetode, hvor data fra hver titaniumions indre skalelektroner - som ikke bidrager til forbindelsens fysiske egenskaber - trækkes fra den samlede elektronfordeling af hver ion, efterlader kun den sommerfugleformede valenselektrondensitetsfordeling. Metoden kaldes kerne differentiel Fourier syntese (CDFS).

Desuden, et nærmere kig på den sommerfugleformede elektrontæthed afslørede, at høj tæthed forblev i den centrale region, i modsætning til blottet titanium, hvor elektroner ikke eksisterer i midten på grund af knudepunktet i 3d orbitalen. Efter omhyggelig dataanalyse, det blev fundet, at elektrontætheden i midten består af valenselektronerne, der optager den hybridiserede orbital, der dannes af bindingen mellem titanium og oxygen. Beregninger fra de første principper bekræftede dette ikke-trivielle orbitalbillede og reproducerede resultaterne af CDFS-analysen meget godt. Billedet demonstrerer direkte den velkendte Kugel-Khomskii-model af forholdet mellem de magnetiske og orbital-ordnede tilstande.

CDFS-metoden kan bestemme kredsløbstilstande i materialer uanset de fysiske egenskaber og kan anvendes på næsten alle grundstoffer og uden behov for vanskelige eksperimenter eller analytiske teknikker:Metoden kræver hverken kvantemekaniske eller informatiske modeller, så bias introduceret af analytikere minimeres. Resultaterne kan signalere et gennembrud i studiet af orbitale tilstande i materialer. CDFS-analysen vil give en prøvesten til en fuldstændig beskrivelse af den elektroniske tilstand ved hjælp af første principper eller andre teoretiske beregninger.