Las funciones y propiedades físicas de los materiales sólidos, como el orden magnético y la superconductividad no convencional, están muy influenciados por el estado orbital de los electrones más externos (electrones de valencia) de los átomos constituyentes. En otras palabras, se podría decir que la unidad mínima que determina las propiedades físicas de un material sólido son los orbitales ocupados por los electrones de valencia. Es más, un orbital también puede considerarse una unidad mínima de 'forma, ', por lo que el estado orbital en un sólido se puede deducir observando la distribución espacialmente anisotrópica de electrones (en otras palabras, de cómo la distribución de electrones se desvía de la simetría esférica).

Los estados orbitales de los elementos son conocimientos básicos que se pueden encontrar en los libros de texto de mecánica cuántica o química cuántica. Por ejemplo, se sabe que los electrones 3d en elementos de transición como el hierro y el níquel tienen formas características de tipo mariposa o tipo calabaza. Sin embargo, hasta ahora, Ha sido extremadamente difícil observar directamente la distribución en el espacio real de tales orbitales de electrones.

Ahora, una colaboración de investigación entre la Universidad de Nagoya, Universidad de Wisconsin-Milwaukee, RIKEN e Instituto de Ciencia Molecular de Japón, la Universidad de Tokio, y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), ha observado la distribución espacial de un solo electrón de valencia en el centro de una molécula de óxido de titanio en forma de octaedro, utilizando difracción de rayos X sincrotrón.

Para analizar los datos de difracción de rayos X de la muestra de óxido de titanio, El equipo desarrolló un método de síntesis de Fourier en el que los datos de los electrones de la capa interna de cada ion de titanio, que no contribuyen a las propiedades físicas del compuesto, se restan de la distribución total de electrones de cada ion. dejando solo la distribución de densidad de electrones de valencia en forma de mariposa. El método se llama síntesis de Fourier diferencial de núcleo (CDFS).

Es más, una mirada más cercana a la densidad de electrones en forma de mariposa reveló que la alta densidad permanecía en la región central, en contraste con el titanio desnudo en el que los electrones no existen en el centro debido al nodo del orbital 3d. Después de un cuidadoso análisis de datos, Se encontró que la densidad de electrones en el centro consiste en los electrones de valencia que ocupan el orbital hibridado generado por el enlace entre el titanio y el oxígeno. Los cálculos de los primeros principios confirmaron esta imagen orbital no trivial y reprodujeron muy bien los resultados del análisis CDFS. La imagen demuestra directamente el conocido modelo de Kugel-Khomskii de la relación entre los estados magnéticos y ordenados en órbita.

El método CDFS puede determinar los estados orbitales en materiales independientemente de las propiedades físicas y se puede aplicar a casi todos los elementos y sin la necesidad de experimentos difíciles o técnicas analíticas:el método no requiere modelos informáticos ni mecánicos cuánticos, por lo que se minimiza el sesgo introducido por los analistas. Los resultados pueden indicar un gran avance en el estudio de los estados orbitales en los materiales. El análisis CDFS proporcionará una piedra de toque para una descripción completa del estado electrónico mediante primeros principios u otros cálculos teóricos.