Dans les matériaux quantiques à base de métaux de transition, les terres rares et les actinides, les états électroniques sont caractérisés par des électrons dans les orbitales d et f, combiné avec la formation de bande forte du solide. Jusqu'à maintenant, estimer les orbitales spécifiques qui contribuent à l'état fondamental de ces matériaux et déterminer leurs propriétés physiques, les chercheurs se sont principalement appuyés sur des calculs théoriques et des méthodes de spectroscopie.

Dans une étude récente publiée dans Physique de la nature , une équipe de chercheurs du Max Planck Institute Dresden, Université de Heidelberg, Université de Cologne, et DESY-Hambourg a tenté d'imager les orbitales actives d'un matériau directement dans l'espace réel, sans aucune modélisation. La technique d'imagerie qu'ils ont conçue est basée sur le niveau de s-core et la diffusion des rayons X inélastique non résonnante.

« Nous nous intéressons à la façon dont les matériaux acquièrent leurs propriétés, " Hao Tjeng, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Nous voulons savoir comment ceux-ci peuvent être expliqués sur la base du comportement des électrons dans les matériaux. Nous nous intéressons surtout aux métaux de transition (3d, 4d, 5d) et les matériaux à base de terres rares (4f), car ils offrent une multitude de propriétés fascinantes et réglables, important pour la science fondamentale et pour de nombreuses autres applications."

Lorsqu'ils ont commencé à travailler sur leur étude, Tjeng et ses collègues savaient que les équations de la mécanique quantique qu'ils auraient besoin de résoudre étaient insolubles, car les calculs pertinents prendraient un temps infini. Ils ont ainsi réalisé qu'il serait beaucoup plus pratique et utile d'imager les orbitales dans des expériences pratiques.

"D'habitude, afin de déterminer quel type d'états de mécanique quantique sont réalisés dans un matériau, on effectue des mesures spectroscopiques, " expliqua Tjeng. " Ceux-ci ont leurs mérites, mais aussi leurs limites :encore faut-il faire des calculs pour extraire l'information, et bien souvent, les résultats ne sont pas précis ou fiables. Nous recherchions donc une nouvelle méthode qui puisse fournir une image directe de l'état de la mécanique quantique directement pour l'expérience. Maurits Haverkort et moi avons réalisé que la diffusion inélastique des rayons X pouvait offrir une telle opportunité."

En utilisant des rayons X et de grands transferts de quantité de mouvement, les chercheurs ont pu observer des transitions atomiques dans l'échantillon qui seraient autrement interdites dans les expériences standard, comme la spectroscopie de rayons X ou d'absorption optique. Haverkort et Tjeng ont réalisé qu'en effectuant une transition à partir d'un état atomique sphérique (par exemple 3s), ils pouvaient atteindre la forme d'une orbitale 3D par rapport au transfert de quantité de mouvement des photons.

"Initialement, tout cela était de la théorie, " a déclaré Tjeng. "Nous avons ensuite entrepris de faire l'expérience, investir et moderniser un instrument existant au synchrotron PETRA-III, afin d'avoir un signal suffisant, considérant qu'il s'agit d'une expérience très gourmande en photons. Après quelques efforts, nous avons en effet pu observer le signal et les résultats que nous avions envisagés."

Dans leur expérience, Tjeng et ses collègues ont utilisé le rayonnement synchrotron comme ligne de lumière « ondulatrice », pour délivrer des rayons X monochromatiques avec des intensités élevées. Ils ont dirigé le faisceau de rayons X sur un échantillon, spécifiquement un monocristal; puis ils ont détecté et analysé les rayons X diffusés.

"En regardant l'intensité d'un processus atomique particulier (dans notre cas 'l'excitation 3s à 3d') en fonction de l'orientation de l'échantillon par rapport à l'impulsion photonique transférée et en affichant ces intensités sur une terrain, nous avons obtenu une image directe de l'orbitale 3d., " dit Tjeng.

Dans leur étude, Tjeng et ses collègues ont pu démontrer l'efficacité, à la fois en termes de puissance et de précision, de la technique d'imagerie qu'ils proposent. Ils ont appliqué avec succès leur méthode sur un exemple de manuel, le x ² oui ² /3z ² -r ² orbitale du Ni ²⁺ ion dans un monocristal NiO.

"En étant capable d'imager directement les orbitales actives dans un matériau, nous aurons une vision meilleure et plus précise du comportement des électrons qui sont responsables des propriétés du matériau, " a déclaré Tjeng. Ceci est particulièrement important pour la conception de nouveaux matériaux avec des propriétés nouvelles ou optimisées, ce qui est hautement souhaité par les communautés de recherche en physique et en chimie. »

Tjeng et ses collègues ont présenté une alternative tangible et efficace aux méthodes actuelles d'étude des orbitales dans les matériaux quantiques, ce qui pourrait à terme améliorer la recherche en physique et en chimie. Dans leurs futurs travaux, ils prévoient d'utiliser leur technique pour étudier d'autres matériaux complexes. En outre, ils voudraient perfectionner les appareils et instruments employés par leur méthode, afin qu'il puisse devenir une source standard de mesure, telles que la mesure des rayons X ou de la diffraction des neutrons sur monocristal.

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