El cambio en la valencia de elementos raros en aleaciones con valencia mixta durante el aumento de temperatura se acompaña por una transición topológica de electrones, en la cual estos cambian de estado localizado a estado deslocalizado. A esta conclusión llegaron los científicos estadounidenses, que estudiaron por medio de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X una aleación de iterbio y aluminio. El trabajo se publica en Nature Communications.

En la investigación, los químicos de EE.UU. estudiaron el sistema modelo: la aleación de aluminio e iterbio de composición YbAl3, en la cual un átomo de iterbio está en un estado con valencia mixta. En tal aleación debido a la presencia de sistemas ordenados de impurezas magnéticas se produce la reducción de resistencia, y el iterbio exhíbe dos estados de oxidación, +2 y +3 -en los cuales se encuentran 14 y 13 electrones, respectivamente, en el nivel exterior de electrones 4f-. Se sabe que cuando la temperatura cae a 30 Kelvin (-243 grados Celsius), se produce la reducción de la valencia media en aproximadamente 0.05. Pero no se pudo medir lo que sucede con la estructura electrónica dentro del cristal, debido a las dificultades para obtener un monocristal con una superficie de calidad suficiente. En el nuevo trabajo, para resolver este problema los químicos usaron una película fina de aleación, depositada sobre un sustrato con ayuda de la epitaxia por haces moleculares, y lo investigaron por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X con una resolución angular.

Resultó que en tal material algunos de los electrones están localizados y se encuentran cerca de los átomos de iterbio, y algunos electrones son itinerantes y pueden estar en estado deslocalizado, saltando entre los átomos. El cambio de la fuerza de interacción entre electrones de diferentes tipos durante el cambio de temperatura y la presión puede conducir a fluctuaciones en la valencia de iterbio. La estructura electrónica del átomo de iterbio es una nube de electrones alrededor del núcleo, cuyo tamaño aumenta con la disminución de la temperatura.

Esto conduce a un aumento gradual de la movilidad de los electrones a niveles de baja energía 4f, mientras aumenta la vida útil de estos electrones y el área del pico correspondiente en el espectro. Esto significa que un cambio en la valencia durante el cambio de temperatura (o presión) se acompaña por una fuerte reorganización de la estructura electrónica del iterbio y una transición topológica electrónica.

Según los autores del trabajo, los resultados obtenidos indican una fuerte influencia del cambio de valencia en la estructura de electrones dentro de las aleaciones de metal con propiedades similares. Los científicos esperan que en el futuro, estos datos se puedan utilizar para controlar las propiedades de electrones de las aleaciones de metal con mayor resistencia.

En las moléculas orgánicas, determinar la valencia de los átomos de carbono es mucho más fácil, pero varía muy poco y para casi todos los compuestos es igual a cuatro. Ahora solo se conocen unos pocos compuestos en los que el carbono presenta una valencia de cinco y, más recientemente, los científicos han podido obtener un compuesto orgánico por primera vez, en el que el carbono se une directamente a otros seis átomos.

Fuente: Nature Communications