Le concept de "valence" - la capacité d'un atome particulier à se combiner avec d'autres atomes en échangeant des électrons - est l'une des pierres angulaires de la chimie moderne et de la physique du solide.

Valence contrôle les propriétés cruciales des molécules et des matériaux, y compris leur liaison, structure en cristal, et les propriétés électroniques et magnétiques.

Il y a quatre décennies, une classe de matériaux appelés composés à « valence mixte » a été découverte. Beaucoup de ces composés contiennent des éléments près du bas du tableau périodique, les éléments dits de "terres rares", dont la valence s'est avérée varier avec les changements de température dans certains cas. Les matériaux comprenant ces éléments peuvent présenter des propriétés inhabituelles, comme la supraconductivité exotique et le magnétisme inhabituel.

Mais il y a un mystère non résolu associé aux composés à valence mixte :lorsque l'état de valence d'un élément dans ces composés change avec l'augmentation de la température, le nombre d'électrons associés à cet élément diminue, également. Mais où vont ces électrons ?

Grâce à une combinaison d'outils de pointe, y compris les mesures de rayons X à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), un groupe dirigé par Kyle Shen, professeur de physique, et Darrell Schlom, le professeur Herbert Fisk Johnson de chimie industrielle au Département de science et génie des matériaux, ont trouvé la réponse.

Leur travail est détaillé dans un article, "Transition de Lifshitz à partir des fluctuations de valence dans YbAl3, " Publié dans Communication Nature . L'auteur principal est Shouvik Chatterjee, anciennement du groupe de recherche de Shen et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Californie, Santa Barbara.

Pour résoudre ce mystère, Chatterjee a synthétisé des couches minces du composé à valence mixte d'ytterbium - dont la valence change avec la température - et d'aluminium, en utilisant un procédé appelé épitaxie par faisceau moléculaire, une spécialité du laboratoire Schlom. Le groupe a ensuite utilisé la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) pour étudier la distribution des électrons en fonction de la température afin de suivre où sont allés les électrons manquants.

"Généralement pour n'importe quel matériau, vous changez la température et vous mesurez le nombre d'électrons dans une orbitale donnée, et c'est toujours pareil, " dit Shen. " Mais les gens ont trouvé que dans certains de ces matériaux, comme le composé particulier que nous avons étudié, ce nombre a changé, mais ces électrons manquants doivent aller quelque part."

Il s'avère que lorsque le composé est chauffé, les électrons perdus de l'atome d'ytterbium forment leur propre "nuage, " de toutes sortes, en dehors de l'atome. Lorsque le composé est refroidi, les électrons retournent aux atomes d'ytterbium.

"Vous pouvez le considérer comme deux verres qui contiennent de l'eau, " Shen a dit, " et tu vas et viens de l'un à l'autre, mais la quantité totale d'eau dans les deux verres reste fixe."

Ce phénomène a été proposé pour la première fois par le physicien russe du XXe siècle Evgeny Lifshitz, mais une réponse au mystère de l'électron n'avait pas été proposée jusqu'à présent.

"Ces découvertes soulignent l'importance des changements de valence dans ces systèmes matériels. En modifiant la disposition des électrons mobiles, ils peuvent considérablement influencer les nouvelles propriétés physiques qui peuvent émerger, " a déclaré Chatterjee.

« Cela met notre compréhension de ces matériaux sur une meilleure base, " dit Shen.

Parmi les autres contributeurs, citons Ken Finkelstein, scientifique senior à CHESS; et les doctorants Jacob Ruf et Haofei Wei du groupe Shen.