Het concept van "valentie" - het vermogen van een bepaald atoom om te combineren met andere atomen door elektronen uit te wisselen - is een van de hoekstenen van de moderne scheikunde en vastestoffysica.

Valence regelt cruciale eigenschappen van moleculen en materialen, inclusief hun binding, kristal structuur, en elektronische en magnetische eigenschappen.

Vier decennia geleden, een klasse van materialen genaamd "gemengde valentie" verbindingen werd ontdekt. Veel van deze verbindingen bevatten elementen aan de onderkant van het periodiek systeem, zogenaamde "zeldzame aarde" elementen, waarvan de valentie in sommige gevallen bleek te variëren met veranderingen in temperatuur. Materialen waaruit deze elementen bestaan, kunnen ongebruikelijke eigenschappen vertonen, zoals exotische supergeleiding en ongebruikelijk magnetisme.

Maar er is een onopgelost mysterie verbonden aan gemengde valentieverbindingen:wanneer de valentietoestand van een element in deze verbindingen verandert met verhoogde temperatuur, het aantal elektronen geassocieerd met dat element neemt af, ook. Maar waar gaan die elektronen naartoe?

Met behulp van een combinatie van state-of-the-art tools, inclusief röntgenmetingen bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), een groep onder leiding van Kyle Shen, hoogleraar natuurkunde, en Darrell Schlom, de Herbert Fisk Johnson hoogleraar industriële chemie bij de afdeling Materials Science and Engineering, het antwoord zijn gekomen.

Hun werk wordt gedetailleerd beschreven in een document, "Lifshitz-overgang van valentiefluctuaties in YbAl3, " gepubliceerd in Natuurcommunicatie . De hoofdauteur is Shouvik Chatterjee, voorheen van de onderzoeksgroep van Shen en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

Om dit mysterie aan te pakken, Chatterjee synthetiseerde dunne films van de gemengde valentieverbinding van ytterbium - waarvan de valentie verandert met de temperatuur - en aluminium, met behulp van een proces genaamd moleculaire bundelepitaxie, een specialiteit van het Schlom-lab. De groep gebruikte vervolgens hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) om de verdeling van elektronen als functie van de temperatuur te onderzoeken om te volgen waar de ontbrekende elektronen naartoe gingen.

"Typisch voor elk materiaal, je verandert de temperatuur en je meet het aantal elektronen in een gegeven orbitaal, en het blijft altijd hetzelfde "Zei Shen. "Maar mensen ontdekten dat in sommige van deze materialen, zoals de specifieke verbinding die we hebben bestudeerd, dat nummer is veranderd, maar die ontbrekende elektronen moeten ergens heen."

Het blijkt dat wanneer de verbinding wordt verwarmd, de elektronen die verloren zijn gegaan van het ytterbiumatoom vormen hun eigen "wolk, "soort van, buiten het atoom. Wanneer de verbinding is afgekoeld, de elektronen keren terug naar de ytterbiumatomen.

"Je kunt het zien als twee glazen met wat water, "Shen zei, "en je giet heen en weer van de een naar de ander, maar de totale hoeveelheid water in beide glazen blijft vast."

Dit fenomeen werd voor het eerst voorgesteld door de 20e-eeuwse Russische natuurkundige Evgeny Lifshitz, maar een antwoord op het elektronenmysterie was tot nu toe niet voorgesteld.

"Deze bevindingen wijzen op het belang van valentieveranderingen in deze materiële systemen. Door de rangschikking van mobiele elektronen te veranderen, ze kunnen een dramatische invloed hebben op nieuwe fysieke eigenschappen die kunnen ontstaan, ' zei Chatterjee.

"Dit plaatst ons begrip van deze materialen op een betere basis, ' zei Sheen.

Andere bijdragers waren onder meer Ken Finkelstein, senior stafwetenschapper bij CHESS; en doctoraatsstudenten Jacob Ruf en Haofei Wei van de Shen Group.