Crédito:Yavas et al.
En materiales cuánticos basados en metales de transición, elementos de tierras raras y actínidos, los estados electrónicos se caracterizan por electrones en los orbitales dyf, combinado con la fuerte formación de bandas del sólido. Hasta ahora, estimar los orbitales específicos que contribuyen al estado fundamental de estos materiales y determinar sus propiedades físicas, Los investigadores se han basado principalmente en cálculos teóricos y métodos de espectroscopia.
En un estudio reciente publicado en Física de la naturaleza , un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Dresde, Universidad de Heidelberg, Universidad de Colonia, y DESY- Hamburg intentó imaginar los orbitales activos de un material directamente en el espacio real, sin ningún modelo. La técnica de imagen que idearon se basa en el nivel de núcleo s y la dispersión de rayos X inelástica no resonante.
"Estamos interesados en cómo los materiales adquieren sus propiedades, "Hao Tjeng, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Queremos saber cómo se pueden explicar sobre la base del comportamiento de los electrones en los materiales. Lo que más nos interesa son los metales de transición (3d, 4d, 5d) y materiales basados en tierras raras (4f), ya que ofrecen una gran cantidad de propiedades fascinantes y sintonizables, importante para la ciencia fundamental y para muchas otras aplicaciones ".
Cuando empezaron a trabajar en su estudio, Tjeng y sus colegas sabían que las ecuaciones de la mecánica cuántica que necesitarían resolver eran irresolubles, ya que los cálculos pertinentes llevarían una cantidad infinita de tiempo. Así se dieron cuenta de que sería mucho más práctico y útil obtener imágenes de los orbitales en experimentos prácticos.
"Generalmente, para determinar qué tipo de estados de la mecánica cuántica se realizan en un material, se realizan mediciones espectroscópicas, "Tjeng explicó." Estos tienen sus méritos, sino también sus limitaciones:todavía hay que hacer cálculos para extraer la información, y muy a menudo los resultados no son precisos o fiables. Por tanto, estábamos buscando un nuevo método que pudiera proporcionar una imagen directa del estado de la mecánica cuántica directamente para el experimento. Maurits Haverkort y yo nos dimos cuenta de que la dispersión inelástica de rayos X podría brindar esa oportunidad ".
Usando rayos X y grandes transferencias de impulso, los investigadores pudieron observar transiciones atómicas en la muestra que de otro modo estarían prohibidas en experimentos estándar, tales como espectroscopia de absorción óptica o de rayos X. Haverkort y Tjeng se dieron cuenta de que al hacer una transición desde un estado atómico esférico (por ejemplo, 3s) podían alcanzar la forma de un orbital 3d con respecto a la transferencia del momento del fotón.
Crédito:Yavas et al.
"Inicialmente, todo esto era teoría, ", Dijo Tjeng." Luego nos dispusimos a hacer el experimento, invertir y actualizar un instrumento existente en la instalación de sincrotrón PETRA-III, para tener suficiente señal, considerando que este es un experimento muy ávido de fotones. Después de algunos esfuerzos, de hecho, pudimos observar la señal y los resultados que habíamos previsto ".
En su experimento, Tjeng y sus colegas utilizaron la radiación de sincrotrón como una línea de luz 'onduladora', para entregar rayos X monocromáticos con altas intensidades. Dirigieron el haz de rayos X a una muestra, específicamente un solo cristal; luego detectaron y analizaron los rayos X dispersos.
"Al observar la intensidad de un proceso atómico particular (en nuestro caso, 'la excitación de 3s a 3d') como una función de la orientación de la muestra con respecto al fotón-momento transferido y al mostrar estas intensidades en un polar trama, obtuvimos una imagen directa del orbital 3d., "Dijo Tjeng.
En su estudio, Tjeng y sus colegas pudieron demostrar la efectividad, tanto en términos de potencia como de precisión, de la técnica de imagen propuesta por ellos. Aplicaron con éxito su método en un ejemplo de libro de texto, la x 2 y 2 / 3z 2 -r 2 orbital del Ni 2+ ion en un monocristal de NiO.
"Al poder obtener imágenes directamente de los orbitales que están activos en un material, tendremos una mejor y más precisa percepción del comportamiento de los electrones que son responsables de las propiedades del material, ", Dijo Tjeng. Esto es especialmente importante para el diseño de nuevos materiales con propiedades nuevas u optimizadas, que es muy deseado por las comunidades de investigación tanto en física como en química ".
Tjeng y sus colegas han presentado una alternativa tangible y eficiente a los métodos actuales para estudiar orbitales en materiales cuánticos. lo que, en última instancia, podría mejorar la investigación tanto en física como en química. En su trabajo futuro, planean usar su técnica para estudiar otros materiales complejos. Además, les gustaría mejorar los aparatos e instrumentos empleados por su método, para que pueda convertirse en una fuente estándar de medición, como la medición por difracción de neutrones o rayos X monocristalinos.
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