Ученые впервые обнаружили редкое квантовое состояние в соединении плутония, открывающее новые возможности для ядерных исследований

Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory) выявили уникальное квантовое состояние в гексабориде плутония (PuB6), классифицировав его как топологический изолятор Кондо. Данный феномен крайне редко встречается в физике конденсированного состояния, а для соединений на основе плутония он зафиксирован лишь в единичных случаях.

Плутоний по праву считается одним из самых загадочных элементов в периодической системе. Несмотря на десятилетия исследований, природа его электронов до сих пор бросает вызов фундаментальной физике. Ключевую роль здесь играют 5f-электроны, способные проявлять двойственную натуру: вести себя одновременно как локализованные частицы и как мобильные носители заряда.

Именно эта дуальность определяет необычные свойства материала. Топологические изоляторы представляют собой класс веществ, которые являются диэлектриками внутри своей структуры, однако их поверхность обладает высокой проводимостью. Примечательно, что такой поверхностный ток чрезвычайно устойчив к внешним искажениям, дефектам кристаллической решетки и загрязнениям.

Эффект Кондо описывает квантовое состояние, при котором сильное электронное взаимодействие приводит к тому, что макроскопические характеристики вещества определяются не отдельными атомами, а сложными коллективными квантовыми процессами. Плутоний служит эталонным примером системы, демонстрирующей столь интенсивное взаимодействие.

Синтез топологической проводимости и интенсивных электронных корреляций в гексабориде плутония делает это соединение идеальной площадкой для изучения поведения актинидов — тяжёлых радиоактивных элементов, к которым относятся уран и плутоний.

Подобные изыскания имеют не только теоретическую ценность. Знание электронной структуры актинидов критически важно для понимания их магнитных свойств, электропроводности и долговечности в условиях экстремальных температур и радиации. Эти данные незаменимы для прогнозирования износа материалов в ядерных реакторах, повышения безопасности эксплуатации атомных станций и создания инновационных энергетических установок.

Реализация проекта потребовала сложной технической базы Национальной лаборатории Айдахо. Учёные применили передовые методы нарезки микрообразцов плутония с помощью сфокусированных ионных пучков и провели измерения в условиях криогенных температур, обеспечивающих чистоту квантовых эффектов.

Полученные данные были верифицированы с помощью математического моделирования в сотрудничестве со специалистами Колумбийского университета. Компьютерные расчеты подтвердили наличие топологических свойств у гексаборида плутония, уточнив представление о его сложной электронной архитектуре.

Авторы открытия уверены, что работа открывает путь к исследованию других труднодоступных соединений актинидов. Помимо прикладных задач ядерной энергетики, такие материалы могут найти применение в квантовых вычислениях, создании сверхчувствительных датчиков и развитии методов симуляции ядерных процессов.

Источник: iXBT