Уникальное квантовое состояние в плутонии может революционизировать ядерные исследования

Гексаборид плутония объединяет мощные квантовые взаимодействия и топологические характеристики — редкую комбинацию, которая может способствовать разработке новых ядерных и квантовых технологий

Наука и космос003 июл 23:01

Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory) объявили о нахождении у гексаборида плутония (PuB6) необычного квантового состояния — топологического изолятора Кондо. Подобные свойства ранее фиксировались лишь у ограниченного числа материалов, а для соединений плутония это зафиксировано всего в нескольких случаях.

Плутоний считается одним из самых сложных элементов в периодической таблице. С момента его открытия в 1940 году учёные выяснили множество его характеристик, однако поведение его электронов продолжает оставаться одной из самых сложных задач современной физики. Особый интерес вызывают 5f-электроны плутония, которые могут одновременно проявлять себя как локализованные частицы и как свободно движущиеся носители заряда.

Это своеобразное поведение лежит в основе обнаруженного эффекта. Топологические изоляторы представляют собой материалы, которые почти не проводят электрический ток внутри, но позволяют ему свободно перемещаться по поверхности. При этом проводимость на поверхности обладает высокой устойчивостью к дефектам и примесям.

Термин «Кондо» обозначает квантовое явление, возникающее при сильном взаимодействии электронов друг с другом. В таких условиях свойства материала перестают определяться поведением отдельных атомов и начинают формироваться коллективными квантовыми эффектами. Плутоний является одним из наиболее ярких примеров таких систем.

Ученые установили, что в гексабориде плутония оба этих явления — топологическая проводимость и сильные электронные корреляции — существуют одновременно. Это делает данное соединение уникальной экспериментальной платформой для изучения актинидов — группы тяжёлых элементов, включая плутоний и уран.

Исследование таких материалов имеет не только теоретическое значение. Электронные характеристики актинидов определяют их магнитные свойства, электрическую проводимость, а также устойчивость к высоким температурам и интенсивному радиационному воздействию. Понимание этих процессов жизненно важно для прогнозирования старения ядерных материалов, повышения безопасности реакторов и разработки новых энергетических технологий.

Исследование потребовало использования уникальной экспериментальной инфраструктуры Национальной лаборатории Айдахо. Учёные применили методы подготовки микроскопических образцов плутония с помощью сфокусированных ионных пучков, а затем провели измерения при крайне низких температурах, где квантовые эффекты проявляются наиболее явно.

Экспериментальные данные были дополнительно проверены с помощью компьютерного моделирования, выполненного в сотрудничестве с исследователями из Колумбийского университета. Расчёты подтвердили наличие топологических свойств у гексаборида плутония и помогли глубже понять его электронную структуру.

Авторы исследования полагают, что это открытие закладывает основу для изучения других сложных соединений актинидов, которые ранее были практически недоступны для экспериментальной физики. Кроме задач ядерной энергетики, такие материалы могут быть интересны для квантовых вычислений, высокоточных сенсоров и новых методов моделирования поведения ядерных систем.

Darth SaharaИсточники:phys.orgPhysical Review ResearchНаука и космос0Ядерная энергетикаКвантовые вычисленияМатериаловедениеФизика конденсированного состоянияПлутонийКвантовые материалыТопологические изоляторы03 июл 23:01