名古屋大学 图1
蝶形三维电子轨道的分布
(b)在氧化钛(TiO6)八面体中心的钛(Ti3+)离子周围的价电子密度分布，由研究小组为此项目开发的CDFS分析获得
信用:俊介基图 固体材料的功能和物理性质，如磁有序和非常规超导性，受组成原子最外层电子(价电子)的轨道状态影响很大
换句话说，可以说决定固体物质物理性质的最小单位是由价电子占据的轨道组成的
此外，轨道也可以被认为是“形状”的最小单位，因此固体中的轨道状态可以通过观察电子的空间各向异性分布(换句话说，从电子分布如何偏离球形对称性)来推导
元素中的轨道态是量子力学或量子化学教科书中可以找到的基础知识
例如，已知过渡元素如铁和镍中的3d电子具有典型的蝴蝶型或葫芦型形状
然而，直到现在，直接观察这种电子轨道的真实空间分布是极其困难的
现在，名古屋大学、威斯康星大学-密尔沃基分校、日本的RIKEN和东京大学分子科学研究所以及日本同步辐射研究所(JASRI)之间的一项研究合作，已经使用同步辐射X射线衍射观察到八面体形状的氧化钛分子中心的单价电子的空间分布
为了分析氧化钛样品的x光衍射数据，研究小组开发了一种傅里叶合成方法，从每个钛离子的总电子分布中减去每个钛离子内壳电子的数据，只留下蝴蝶状的价电子密度分布，这些数据对化合物的物理性质没有贡献
这种方法被称为核心差分傅里叶合成(CDFS)
通过(1)CDFS分析和(2)第一性原理计算获得的Ti3+离子的价电子密度分布的截面图
信用:俊介基图 此外，对蝴蝶状电子密度的进一步观察显示，高密度保留在中心区域，与裸钛形成对比，在裸钛中，由于3d轨道的节点，电子不存在于中心
经过仔细的数据分析，发现中心的电子密度由占据由钛和氧之间的键产生的杂化轨道的价电子组成
第一性原理计算证实了这一非同寻常的轨道图像，并很好地再现了CDFS分析的结果
该图像直接展示了众所周知的磁性和轨道有序态之间关系的库格尔-霍姆斯基模型
CDFS方法可以确定材料中的轨道状态，而不考虑物理性质，并且可以应用于几乎所有元素，而不需要困难的实验或分析技术:该方法既不需要量子力学模型，也不需要信息模型，因此分析师引入的偏差最小
这一结果可能标志着材料轨道状态研究的突破
CDFS分析将通过第一性原理或其他理论计算为电子状态的完整描述提供一块试金石
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