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过渡金属中的电子分布代表了化学元素周期表的很大一部分

人工智能 2019-08-06 11:06:00

苏黎世联邦理工学院物理系的研究人员测量了所谓的过渡金属中的电子如何在光学振荡周期的一小部分内重新分布。他们观察到电子在不到一飞秒的时间内集中在金属原子周围。这种重新组合可能影响这些化合物的重要宏观性质,例如电导率,磁化或光学特性。因此,该工作提出了在极快时间尺度上控制这些特性的途径。

过渡金属中的电子分布代表了化学元素周期表的很大一部分,是应用中许多有趣特性的原因。这组材料的一些构件的磁性能例如用于数据存储,而其他材料表现出优异的导电性。过渡金属对于具有更多外来行为的新型材料也具有决定性作用,这些行为是由电子之间的强相互作用引起的。这些材料是广泛的未来应用的有希望的候选者。

在他们的实验中,他们在今天发表在Nature Physics上的一篇论文中报告了他的结果,Mikhail Volkov和Ursula Keller教授的超快激光物理小组的同事将过渡金属钛和锆的薄箔暴露在短激光脉冲中。他们通过记录极紫外(XUV)域中金属光学性质的变化来观察电子的重新分布。为了能够跟随足够的时间分辨率的诱导的改变,XUV脉冲只有几百阿秒(10个的持续时间-18 S)在测定中使用。通过比较实验结果与理论模型研究人员在汉堡的马克斯普朗克结构与动力学研究所的Angel Rubio教授的研究小组的研究中确定,在不到飞秒(10-15秒)内展开的变化是由于电子定位在金属原子附近。该理论还预测,在具有更强填充的外电子壳的过渡金属中,可以预期相反的运动 - 即电子的离域化。

超快速控制材料特性

电子分布定义了材料内部的微观电场,它不仅固定在一起,而且在很大程度上决定了它的宏观特性。通过改变电子的分布,也可以控制材料的特性。Volkov等人的实验。证明这可以在比可见光的振荡周期(大约两个飞秒)短得多的时间尺度上实现。更重要的是发现时间尺度比所谓的热化时间短得多,热化时间是电子通过它们之间和晶体之间的碰撞来消除电子分布的外部控制效应的时间。格子。

最初的惊喜

最初,令人惊讶的是激光脉冲将导致钛和锆中电子局域化的增加。自然界的一般趋势是,如果为束缚电子提供更多能量,它们将变得不那么局部化。支持实验观察的理论分析表明,电子密度的增加的局部化是由过渡金属原子的特征性部分填充的d轨道的更强填充产生的净效应。对于具有已经超过一半填充的d轨道的过渡金属(即,元素周期表中更靠近右侧的元素),净效应是相反的并且对应于电子密度的离域。

迈向更快的电子元件

虽然现在报道的结果具有基本性质,但实验证明了材料性能的快速改变的可能性。这种调制用于电子和光电子学中,用于处理电子信号或数据传输。虽然现有组件处理频率在千兆赫(10 9 Hz)范围内的信号流,但Volkov及其同事的结果表明在千赫兹频率下信号处理的可能性(10 15)赫兹)。因此,这些相当基本的发现可能会为下一代更快的组件的发展提供信息,并通过这种方式间接地进入我们的日常生活。

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