El concepto de "valencia", la capacidad de un átomo en particular para combinarse con otros átomos mediante el intercambio de electrones, es una de las piedras angulares de la química moderna y la física del estado sólido.

La valencia controla propiedades cruciales de moléculas y materiales, incluyendo su vinculación, estructura cristalina, y propiedades electrónicas y magnéticas.

Hace cuatro décadas, Se descubrió una clase de materiales llamados compuestos de "valencia mixta". Muchos de estos compuestos contienen elementos cerca de la parte inferior de la tabla periódica, los denominados elementos de "tierras raras", cuya valencia se descubrió que varía con los cambios de temperatura en algunos casos. Los materiales que comprenden estos elementos pueden mostrar propiedades inusuales, como la superconductividad exótica y el magnetismo inusual.

Pero ha habido un misterio sin resolver asociado con compuestos de valencia mixtos:cuando el estado de valencia de un elemento en estos compuestos cambia con el aumento de temperatura, el número de electrones asociados con ese elemento disminuye, así como. Pero, ¿adónde van esos electrones?

Usando una combinación de herramientas de última generación, incluidas las mediciones de rayos X en la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS), un grupo liderado por Kyle Shen, profesor de física, y Darrell Schlom, el Profesor Herbert Fisk Johnson de Química Industrial en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, he encontrado la respuesta.

Su trabajo se detalla en un documento, "Transición Lifshitz de las fluctuaciones de valencia en YbAl3, " publicado en Comunicaciones de la naturaleza . El autor principal es Shouvik Chatterjee, anteriormente miembro del grupo de investigación de Shen y ahora investigador postdoctoral en la Universidad de California, Santa Bárbara.

Para abordar este misterio, Chatterjee sintetizó películas delgadas del compuesto de valencia mixta de iterbio, cuya valencia cambia con la temperatura, y aluminio, utilizando un proceso llamado epitaxia de haz molecular, una especialidad del laboratorio Schlom. Luego, el grupo empleó espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) para investigar la distribución de electrones en función de la temperatura para rastrear dónde fueron los electrones faltantes.

"Normalmente, para cualquier material, cambias la temperatura y mides el número de electrones en un orbital dado, y siempre permanece igual, ", Dijo Shen." Pero la gente encontró que en algunos de estos materiales, como el compuesto particular que estudiamos, ese número cambió, pero esos electrones que faltan tienen que ir a alguna parte ".

Resulta que cuando el compuesto se calienta, los electrones perdidos del átomo de iterbio forman su propia "nube, "de tipo, fuera del átomo. Cuando el compuesto se enfría, los electrones regresan a los átomos de iterbio.

"Puedes pensar en dos vasos que contienen un poco de agua, "Shen dijo, "y estás yendo y viniendo de uno a otro, pero la cantidad total de agua en ambos vasos permanece fija ".

Este fenómeno fue propuesto por primera vez por el físico ruso del siglo XX Evgeny Lifshitz, pero hasta ahora no se había propuesto una respuesta al misterio de los electrones.

"Estos hallazgos apuntan hacia la importancia de los cambios de valencia en estos sistemas materiales. Al cambiar la disposición de los electrones móviles, Pueden influir drásticamente en las nuevas propiedades físicas que puedan surgir. "dijo Chatterjee.

"Esto coloca nuestra comprensión de estos materiales en una mejor base, "Dijo Shen.

Otros contribuyentes incluyeron a Ken Finkelstein, científico de planta superior en CHESS; y los estudiantes de doctorado Jacob Ruf y Haofei Wei del Grupo Shen.