Spaanse onderzoekers zien voor het eerst elektronen per atoom in materiaal

Of een materiaal stroom geleidt, magnetisch is of juist isoleert, hangt grotendeels af van hoe de elektronen eromheen zijn verdeeld. Die verdeling in kaart brengen is al decennia een van de grootste uitdagingen binnen de materiaalkunde. Bestaande technieken gaven alleen een gemiddeld beeld van een heel materiaal, maar konden niet laten zien hoe de elektronenverdeling van atoom tot atoom verschilt, aan het oppervlak of dieper in het materiaal. Een internationaal team onder leiding van het Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB-CSIC) heeft daar nu verandering in gebracht, blijkt uit een publicatie in Nature Materials.

Een doos die eindelijk opengaat

"Dit instrument is als het openen van een doos die tot nu toe gesloten bleef", zegt onderzoeker Jaume Gàzquez, een van de auteurs van de studie. "We kunnen nu verschijnselen waarnemen die simpelweg niet te zien waren." Het onderzoek kwam tot stand met de University of the Chinese Academy of Sciences, Uppsala University in Zweden, de University of Washington en het Pacific Northwest National Laboratory in de Verenigde Staten. De ploeg combineerde expertise in geavanceerde microscopie, theoretische simulaties en het maken van materialen.

Om de techniek te testen, onderzochten de wetenschappers een mangaanoxide, een materiaal met interessante elektrische en magnetische eigenschappen. Ze ontdekten dat het lichtjes samendrukken van het materiaal de elektronenverdeling rond de atomen verandert, terwijl het uitrekken juist een ander effect geeft. Zulke verschillen blijven onzichtbaar voor gangbare technieken, terwijl ze wel rechtstreeks invloed hebben op eigenschappen als geleiding en magnetisme. Volgens Gàzquez is de grootste vernieuwing dat onderzoekers nu heel specifieke plekken in een materiaal kunnen bestuderen, tot op het niveau van individuele atomen. Dat maakt de methode bijzonder geschikt om defecten en overgangen tussen verschillende materialen te onderzoeken, plekken waar vaak ongewone eigenschappen ontstaan die elders in het materiaal ontbreken.

Hoe de techniek werkt

De methode is gebaseerd op een geavanceerde vorm van elektronenmicroscopie. Onderzoekers richten een extreem dunne elektronenbundel op een materiaal en analyseren hoe die bundel reageert op de elektronen die al in de atomen aanwezig zijn. Uit die reactie kunnen ze reconstrueren hoe de elektronen op verschillende plekken zijn georganiseerd. "Het is alsof je een object vanuit verschillende hoeken belicht en subtiele veranderingen in de reactie meet om te bepalen hoe de elektronen erin zitten", legt Gàzquez uit.

Elektronen cirkelen in werkelijkheid niet als planeten om een zon, maar bewegen zich in diffuse gebieden die wetenschappers orbitalen noemen. De nieuwe techniek maakt zichtbaar hoe deze orbitalen bezet zijn, met andere woorden: waar de kans het grootst is dat een elektron zich bevindt. Oudere methoden op basis van röntgenstraling haalden dat detailniveau niet. In plaats van een grove momentopname te maken, scant de nieuwe aanpak elk detail van een materiaal, wat een veel gedetailleerder beeld van de elektronische structuur oplevert. Omdat de techniek werkt met elektronenmicroscopen die al bestaan, kan ze snel breed inzetbaar worden voor onderzoek naar complexe materialen waarin elektronische eigenschappen op zeer kleine afstanden variëren.