p O conceito de "valência" - a capacidade de um átomo específico se combinar com outros átomos por meio da troca de elétrons - é uma das pedras angulares da química moderna e da física do estado sólido. p Valência controla propriedades cruciais de moléculas e materiais, incluindo sua ligação, estrutura de cristal, e propriedades eletrônicas e magnéticas.

p Quatro décadas atrás, uma classe de materiais chamada compostos de "valência mista" foi descoberta. Muitos desses compostos contêm elementos próximos ao final da tabela periódica, os chamados elementos de "terras raras", cuja valência foi descoberta para variar com mudanças na temperatura em alguns casos. Os materiais que compreendem esses elementos podem exibir propriedades incomuns, como supercondutividade exótica e magnetismo incomum.

p Mas existe um mistério não resolvido associado aos compostos de valência mistos:quando o estado de valência de um elemento nesses compostos muda com o aumento da temperatura, o número de elétrons associados a esse elemento diminui, também. Mas para onde vão esses elétrons?

p Usando uma combinação de ferramentas de última geração, incluindo medições de raios-X na fonte síncrotron de alta energia Cornell (CHESS), um grupo liderado por Kyle Shen, professor de física, e Darrell Schlom, o Professor Herbert Fisk Johnson de Química Industrial no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, vieram com a resposta.

p Seu trabalho é detalhado em um artigo, "Transição de Lifshitz das flutuações de valência em YbAl3, " publicado em Nature Communications . O autor principal é Shouvik Chatterjee, anteriormente do grupo de pesquisa de Shen e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, Santa Barbara.

p Para resolver este mistério, Chatterjee sintetizou filmes finos do composto de valência mista de itérbio - cuja valência muda com a temperatura - e alumínio, usando um processo chamado epitaxia de feixe molecular, uma especialidade do laboratório Schlom. O grupo então empregou espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) para investigar a distribuição de elétrons em função da temperatura para rastrear para onde os elétrons perdidos foram.

p "Normalmente, para qualquer material, você muda a temperatura e mede o número de elétrons em um determinado orbital, e sempre permanece o mesmo, "Shen disse." Mas as pessoas descobriram que em alguns desses materiais, como o composto particular que estudamos, esse número mudou, mas os elétrons que faltam precisam ir para algum lugar. "

p Acontece que quando o composto é aquecido, os elétrons perdidos do átomo de itérbio formam sua própria "nuvem, " Do tipo, fora do átomo. Quando o composto é resfriado, os elétrons retornam aos átomos de itérbio.

p "Você pode pensar nisso como dois copos que contêm um pouco de água, "Shen disse, "e você está despejando de um para o outro, mas a quantidade total de água em ambos os copos permanece fixa. "

p Este fenômeno foi proposto pela primeira vez pelo físico russo do século 20, Evgeny Lifshitz, mas uma resposta ao mistério do elétron não havia sido proposta até agora.

p "Essas descobertas apontam para a importância das mudanças de valência nesses sistemas materiais. Ao mudar a disposição dos elétrons móveis, eles podem influenciar dramaticamente novas propriedades físicas que podem surgir, "disse Chatterjee.

p "Isso coloca nossa compreensão desses materiais em uma base melhor, "Shen disse.

p Outros contribuidores incluíram Ken Finkelstein, cientista sênior da equipe do CHESS; e os alunos de doutorado Jacob Ruf e Haofei Wei do Shen Group.