名古屋大學研究生院工學研究科的研究生萬條太駿和澤博教授等人組成的研究團隊，與理化學研究所創發物性科學中心的基礎科學特別研究員鬼頭俊介以及帝京大學、早稻田大學、東北大學、東京大學、橫濱國立大學、廣島大學和高輝度光科學研究中心開展了聯合研究，透過在大型同步輻射設施SPring-8中進行X射線繞射和散射實驗，發現具有軌道自由度的電子可以觀測到具備各向異性的波動狀態。
圖：價電子密度類比與V軌域狀態。橫槓爲軌域的能階，箭頭表示佔據該軌道的電子。虛線箭頭表示簡併軌道上的一個電子，該電子平均佔據兩個簡併軌道。類比計算使用了圖中的三個軌域。（供圖：名古屋大學）
研究團隊着眼於尖晶石型氧化物FeV2O4。其中的Fe（鐵）和V（釩）離子在M殼中的3d軌道上分別有6個和2個電子。3d軌道最多可容納10個電子，因此兩種離子都是被部分填充的狀態，但在強大的電子關聯性的作用下，變成了電子局部存在的強關聯電子絕緣體。
研究團隊利用CDFS法（透過X射線繞射實驗分析電子密度的一種方法）從該物質中提取價電子密度資訊時發現，V離子的價電子密度分布形狀很有特點。透過量子力學計算探索具有這種形狀的軌道狀態發現，這是部分佔據了電子簡併軌域的多條軌道的平均值。
另外，研究團隊還透過3d軌道的疊加再現了實驗電子密度分布，並證明未鍵合的軌域具有量子力學計算的形狀。此外還發現，被電子部分佔據的Fe離子也呈同樣的各向異性價電子密度分布。如上所述，成功地直接觀測到了具有簡併軌道的多個電子態。
澤博教授表示：「此前沒有直接報告過具有軌道自由度的預有序態，也不清楚其在實際空間中的形狀。此次研究僅直接觀測了鐵和釩氧化物中的價電子雲，明確了簡併軌域的分佈狀態。這爲開發表現出巨大反應的多自由度相關物質羣提供了新的見解。」
【論文資訊】
雜誌：Materials Advances
論文：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：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
