В плутонии нашли эффект, который может быть полезен для квантовых технологий
Ученые из Национальной лаборатории Айдахо (США, INL) подробно изучили электронное поведение гексаборида плутония (PuB6).
Они показали, что это соединение работает как топологический изолятор Кондо — редкое квантовое состояние, которое открывает новое окно в понимание самых тяжелых элементов периодической таблицы.
Почему плутоний так сложно изучать
Плутоний уже 86 лет остается одним из самых загадочных материалов. Он критически важен для ядерной энергетики и безопасности, но его внутреннее устройство упорно сопротивляется полному описанию. Теперь PuB6 дает физикам удобную модель, на которой можно наблюдать, как сильные электронные взаимодействия сочетаются с топологическими свойствами.
«Гексаборид плутония дает нам редкую возможность увидеть, как сильные корреляции и топология взаимодействуют в актинидных материалах», — отметил Кшиштоф Гофрик, научный сотрудник INL, который возглавил исследование.
Что такое топологический изолятор Кондо
Обычные вещества либо хорошо проводят ток, как металлы, либо почти полностью его блокируют, как изоляторы. Топологические изоляторы ведут себя иначе: внутри они ведут себя как изоляторы, а по поверхности пропускают электричество, причем этот поверхностный ток очень устойчив к загрязнениям и повреждениям.
«Поверхностная проводимость топологических изоляторов необычайно высока; ее трудно нарушить примесями или физическими дефектами», — подчеркнули авторы исследования.
Приставка «Кондо» добавляет еще один слой сложности. Так называют квантовое явление, когда электроны сильно взаимодействуют друг с другом и начинают вести себя как единое целое, а не как отдельные частицы. В плутонии это особенно ярко проявляется из-за 5f-электронов.
«Плутоний — яркий тому пример, — отметили исследователи. — Он содержит 5f-электроны, которые особенно склонны к таким интенсивным взаимодействиям, что делает его одним из самых впечатляющих и сложных известных материалов».
Как проводили эксперимент
Из-за сильной радиоактивности плутония работать с ним приходится с особыми мерами предосторожности. Ученые использовали сфокусированный ионный пучок, чтобы вырезать крошечные образцы, а потом охлаждали их до сверхнизких температур. Холод убирает тепловые колебания атомов и позволяет увидеть чистую квантовую картину.
«Эти передовые методы подготовки позволяют нам изучать плутоний при очень низких температурах», — объяснил Даниэль Мюррей из INL.
Для надежности результаты сравнили с компьютерными моделями, созданными теоретиками из Колумбийского университета.
Новые горизонты для квантовых технологий
Устойчивые поверхностные токи в таких материалах открывают дорогу к новым технологиям: стабильным элементам для квантовых компьютеров, сверхточным магнитным датчикам и более точному моделированию ядерных материалов.
«Что касается квантовой механики, то данное исследование имеет потенциальные применения в квантовых вычислениях, передовых сенсорных технологиях и новых технологиях, которые могут коренным образом изменить подход исследователей к моделированию ядерных систем и материалов», — отмечают исследователи
Эта работа разворачивает исследования самых тяжелых элементов периодической таблицы — актинидов — в сторону квантовой физики.
Теперь у ученых есть удобная и хорошо управляемая модель на основе гексаборида плутония, с помощью которой можно глубже разобраться в поведении этих сложных и капризных элементов, которые до сих пор остаются одними из самых загадочных в науке.