名古屋大学研究生院工学研究科的研究生万条太骏和泽博教授等人组成的研究团队，与理化学研究所创发物性科学中心的基础科学特别研究员鬼头俊介以及帝京大学、早稻田大学、东北大学、东京大学、横滨国立大学、广岛大学和高亮度光科学研究中心开展了联合研究，通过在大型同步辐射设施SPring-8中进行X射线衍射和散射实验，发现具有轨道自由度的电子可以观测到具备各向异性的波动状态。
图：价电子密度模拟与V电子轨道状态。横杠为电子轨道的能级，箭头表示占据该轨道的电子。虚线箭头表示简并轨道上的一个电子，该电子平均占据两个简并轨道。模拟计算使用了图中的三个电子轨道。（供图：名古屋大学）
研究团队着眼于尖晶石型氧化物FeV2O4。其中的Fe（铁）和V（钒）离子在M壳中的3d轨道上分别有6个和2个电子。3d轨道最多可容纳10个电子，因此两种离子都是被部分填充的状态，但在强大的电子关联性的作用下，变成了电子局部存在的强关联电子绝缘体。
研究团队利用CDFS法（通过X射线衍射实验分析电子密度的一种方法）从该物质中提取价电子密度信息时发现，V离子的价电子密度分布形状很有特点。通过量子力学计算探索具有这种形状的轨道状态发现，这是部分占据了电子简并电子轨道的多条轨道的平均值。
另外，研究团队还通过3d轨道的叠加再现了实验电子密度分布，并证明未键合的电子轨道具有量子力学计算的形状。此外还发现，被电子部分占据的Fe离子也呈同样的各向异性价电子密度分布。如上所述，成功地直接观测到了具有简并轨道的多个电子态。
泽博教授表示：“此前没有直接报告过具有轨道自由度的预有序态，也不清楚其在实际空间中的形状。此次研究仅直接观测了铁和钒氧化物中的价电子云，明确了简并电子轨道的分布状态。这为开发表现出巨大反应的多自由度相关物质群提供了新的见解。”
【论文信息】
杂志：Materials Advances
论文：Do electron distributions with orbital degree of freedom exhibit anisotropy?
DOI:10.1039/d1ma01113h
URL: pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MA/D1MA01113H
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
