Em materiais quânticos baseados em metais de transição, elementos de terras raras e actinídeos, estados eletrônicos são caracterizados por elétrons nos orbitais d e f, combinado com a formação de banda forte do sólido. Até agora, para estimar os orbitais específicos que contribuem para o estado fundamental desses materiais e determinar suas propriedades físicas, os pesquisadores confiaram principalmente em cálculos teóricos e métodos de espectroscopia.

Em um estudo recente publicado em Física da Natureza , uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Dresden, Universidade de Heidelberg, Universidade de Colônia, e DESY- Hamburgo tentou criar uma imagem dos orbitais ativos de um material diretamente no espaço real, sem qualquer modelagem. A técnica de imagem que eles desenvolveram é baseada no nível de s-core e espalhamento de raios X inelástico não ressonante.

"Estamos interessados ​​em como os materiais alcançam suas propriedades, "Hao Tjeng, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Queremos saber como isso pode ser explicado com base no comportamento dos elétrons nos materiais. Estamos principalmente interessados ​​em metais de transição (3d, 4d, 5d) e materiais à base de terras raras (4f), uma vez que oferecem uma grande variedade de propriedades fascinantes e ajustáveis, importante para a ciência fundamental e para inúmeras outras aplicações. "

Quando eles começaram a trabalhar em seu estudo, Tjeng e seus colegas sabiam que as equações da mecânica quântica que eles precisariam resolver eram insolúveis, pois os cálculos relevantes levariam uma quantidade infinita de tempo. Assim, eles perceberam que seria muito mais prático e útil criar imagens dos orbitais em experimentos práticos.

"Usualmente, a fim de determinar que tipo de estados de mecânica quântica são realizados em um material, um realiza medições espectroscópicas, "Tjeng explicou." Estes têm seus méritos, mas também suas limitações:ainda é preciso fazer cálculos para extrair as informações, e muitas vezes os resultados não são precisos ou confiáveis. Estávamos, portanto, procurando um novo método que pudesse fornecer uma imagem direta do estado da mecânica quântica diretamente para o experimento. Maurits Haverkort e eu percebemos que o espalhamento inelástico de raios-X poderia fornecer essa oportunidade. "

Usando raios-X e grandes transferências de momentum, os pesquisadores foram capazes de observar transições atômicas na amostra que, de outra forma, seriam proibidas em experimentos padrão, como raios-x ou espectroscopia de absorção óptica. Haverkort e Tjeng perceberam que, ao fazer uma transição de um estado atômico esférico (por exemplo, 3s), eles poderiam atingir a forma de um orbital 3d em relação à transferência do momento do fóton.

"Inicialmente, tudo isso era teoria, "Tjeng disse." Em seguida, partimos para fazer o experimento, investir e atualizar um instrumento existente na instalação do síncrotron PETRA-III, para ter sinal suficiente, considerando que este é um experimento com muita fome de fótons. Depois de alguns esforços, de fato, fomos capazes de observar o sinal e os resultados que havíamos imaginado. "

Em seu experimento, Tjeng e seus colegas usaram a radiação síncrotron como uma linha de luz 'ondulatória', para fornecer raios-x monocromáticos com altas intensidades. Eles direcionaram o feixe de raios-x para uma amostra, especificamente um único cristal; então, eles detectaram e analisaram os raios-X espalhados.

"Olhando para a intensidade de um processo atômico particular (no nosso caso, 'a excitação 3s para 3d') como uma função da orientação da amostra com relação ao momento do fóton transferido e exibindo essas intensidades em um polar enredo, obtivemos uma imagem direta do orbital 3d., "Tjeng disse.

Em seu estudo, Tjeng e seus colegas conseguiram demonstrar a eficácia, tanto em termos de potência quanto de precisão, da técnica de imagem por eles proposta. Eles aplicaram com sucesso seu método em um exemplo de livro didático, o x ² y ² / 3z ² -r ² orbital do Ni ²⁺ íon em um único cristal de NiO.

"Por ser capaz de visualizar diretamente os orbitais que estão ativos em um material, teremos uma visão melhor e mais precisa do comportamento dos elétrons responsáveis ​​pelas propriedades do material, "Tjeng disse. Isso é especialmente importante para o projeto de novos materiais com propriedades novas ou otimizadas, o que é altamente desejado pelas comunidades de pesquisa em física e química. "

Tjeng e seus colegas apresentaram uma alternativa tangível e eficiente aos métodos atuais para estudar orbitais em materiais quânticos, o que poderia, em última análise, aprimorar a pesquisa em física e química. Em seu trabalho futuro, eles planejam usar sua técnica para estudar outros materiais complexos. Além disso, eles gostariam de melhorar os aparelhos e instrumentos empregados por seu método, para que possa se tornar uma fonte padrão de medição, como raio-x de cristal único ou medição de difração de nêutrons.

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