Il concetto di "valenza" - la capacità di un particolare atomo di combinarsi con altri atomi scambiando elettroni - è uno dei capisaldi della chimica moderna e della fisica dello stato solido.

La valenza controlla le proprietà cruciali di molecole e materiali, compreso il loro legame, struttura di cristallo, e proprietà elettroniche e magnetiche.

Quattro decenni fa, è stata scoperta una classe di materiali chiamati composti a "valenza mista". Molti di questi composti contengono elementi vicini alla parte inferiore della tavola periodica, i cosiddetti elementi di "terre rare", la cui valenza è stato scoperto variare con i cambiamenti di temperatura in alcuni casi. I materiali che comprendono questi elementi possono mostrare proprietà insolite, come la superconduttività esotica e il magnetismo insolito.

Ma c'è un mistero irrisolto associato ai composti di valenza mista:quando lo stato di valenza di un elemento in questi composti cambia con l'aumento della temperatura, il numero di elettroni associati a quell'elemento diminuisce, anche. Ma dove vanno quegli elettroni?

Utilizzando una combinazione di strumenti all'avanguardia, comprese le misurazioni dei raggi X presso la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), un gruppo guidato da Kyle Shen, professore di fisica, e Darrell Schlom, l'Herbert Fisk Johnson Professore di Chimica Industriale nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, sono arrivati ​​alla risposta.

Il loro lavoro è dettagliato in un documento, "Transizione di Lifshitz dalle fluttuazioni di valenza in YbAl3, " pubblicato in Comunicazioni sulla natura . L'autore principale è Shouvik Chatterjee, ex del gruppo di ricerca di Shen e ora ricercatore post-dottorato presso l'Università della California, Santa Barbara.

Per affrontare questo mistero, Chatterjee ha sintetizzato film sottili del composto a valenza mista di itterbio - la cui valenza cambia con la temperatura - e alluminio, utilizzando un processo chiamato epitassia a fascio molecolare, una specialità del laboratorio Schlom. Il gruppo ha quindi impiegato la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) per studiare la distribuzione degli elettroni in funzione della temperatura per tracciare dove andavano gli elettroni mancanti.

"In genere per qualsiasi materiale, cambi la temperatura e misuri il numero di elettroni in un dato orbitale, e rimane sempre lo stesso, " ha detto Shen. "Ma la gente ha scoperto che in alcuni di questi materiali, come il particolare composto che abbiamo studiato, quel numero è cambiato, ma quegli elettroni mancanti devono andare da qualche parte."

Si scopre che quando il composto viene riscaldato, gli elettroni persi dall'atomo di itterbio formano la propria "nube, "di sorta, fuori dell'atomo. Quando il composto si sarà raffreddato, gli elettroni ritornano agli atomi di itterbio.

"Puoi immaginarlo come due bicchieri che contengono dell'acqua, "Shen ha detto, "e tu vai avanti e indietro dall'uno all'altro, ma la quantità totale di acqua in entrambi i bicchieri rimane fissa."

Questo fenomeno è stato proposto per la prima volta dal fisico russo del XX secolo Evgeny Lifshitz, ma una risposta al mistero dell'elettrone non era stata proposta fino ad ora.

"Questi risultati indicano l'importanza dei cambiamenti di valenza in questi sistemi materiali. Modificando la disposizione degli elettroni mobili, possono influenzare drammaticamente nuove proprietà fisiche che possono emergere, " ha detto Chatterjee.

"Questo pone la nostra comprensione di questi materiali su una base migliore, "Ha detto Shen.

Altri contributori inclusi Ken Finkelstein, scienziato senior dello staff di CHESS; e gli studenti di dottorato Jacob Ruf e Haofei Wei del gruppo Shen.