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研究人员对TiO6中单价电子的蝴蝶形分布进行了成像

同步加速器 X射线 傅里叶合成技术
发布:2020-11-02 14:27:23    

名古屋大学的研究人员探索了在钛白粉分子核心的单价电子的模糊空间分布。他们通过同步加速器X射线衍射和他们设计的新傅里叶合成技术实现了这一目标。

(a)蝴蝶形的3d电子轨道的分布。(b)通过研究团队为此项目开发的CDFS分析获得的钛氧化物(TiO 6)八面体中心的钛(Ti 3+)离子周围的价电子密度分布。图片提供:Kitou Shusuke。

该技术可用于查找材料中的轨道状态,而无论其物理性质如何,并且无需执行严格的实验或分析程序。该研究最近在“物理评论研究”中进行了报道。

组成原子的最外层电子或价电子的轨道状态在很大程度上决定着固体材料的物理性质和功能,例如磁序和超导性。

简单来说,控制固体材料物理性质的最小单位可以包括价电子占据的轨道。此外,轨道甚至可以被视为“形状”的最小单位,因此可以通过研究电子的空间各向异性分布(简单地说,是根据电子分布偏离球形对称性的方法)来推断固体中的轨道状态。

元素中的轨道状态构成了可以从量子化学或量子力学教科书中获得的基础知识。例如,过渡元素(例如镍和铁)中的3d电子具有典型的葫芦型或蝴蝶型形状。但是,到目前为止,很难直接查看这种电子轨道的真实空间分布。

目前,名古屋大学,威斯康星州密尔沃基大学,日本理化学研究所和东京大学分子科学研究所之间的研究合作,使用同步加速器X射线衍射,对蝴蝶进行了观察。单价电子在八面体形二氧化钛分子核心的空间形分布。

研究人员通过制定傅立叶合成技术检查了氧化钛样品的X射线衍射数据,其中,每个钛离子的内壳电子数据(不影响化合物的物理性质)从总电子分布中扣除每个离子的原子数,仅留下蝴蝶形价电子密度分布。

该技术称为核心差分傅里叶合成(CDFS)。此外,对蝴蝶状电子密度的仔细检查表明,与裸钛相反,裸钛由于3d轨道的节点而在芯处不存在电子,与之相反,裸核中则保留了高密度。对数据的进一步分析表明,核心的电子密度包括价电子,这些价电子构成了由氧和钛之间的键产生的杂化轨道。

第一性原理计算验证了这个非平凡的轨道图,并完美地复制了CDFS分析的结果。该图像直接显示了公认的轨道有序态与磁态之间关系的Kugel-Khomskii模型。

CDFS技术可以发现材料中的轨道状态,而不论其物理性质如何,并且可以将其几乎应用于所有元素,而无需执行严格的实验或分析方法:该技术既不需要量子力学模型也不需要信息模型,从而减少了分析人员添加的偏见。

结果可能标志着材料轨道状态研究方面的进步。CDFS分析将成为通过第一原理或其他理论计算全面描述电子状态的基准。

这项研究由JSPS的科学研究资助计划(JP23244074,JP19J11697)资助。经日本同步加速器辐射研究所(JASRI)批准(建议书编号2011B0083和编号2019A0070),在SPring-8进行了同步辐射实验。

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