Квантовая тайна плутония: ученые наконец разобрались, как ведут себя электроны в самом капризном элементе таблицы Менделеева
NewsMakerУчёные изучили устойчивые поверхностные токи, которые могут пригодиться для квантовых компьютеров и магнитных сенсоров.
Учёные из Айдахской национальной лаборатории получили редкий шанс заглянуть в квантовую механику плутония — одного из самых сложных элементов, с которым физики разбираются уже 86 лет. Исследовательская группа изучила электронное поведение гексаборида плутония PuB6 и показала, что соединение работает как топологический кондо-изолятор.
Работой руководил учёный INL Кшиштоф Гофрик. По его словам, гексаборид плутония даёт редкую возможность увидеть, как в актинидных материалах взаимодействуют сильные электронные корреляции и топология. Для физики тяжёлых элементов такой результат важен не только сам по себе. Плутоний давно играет заметную роль в ядерной безопасности и топливных циклах реакторов, но внутреннее поведение электронов в плутонии до сих пор плохо поддаётся точному описанию.
PuB6 даёт исследователям контролируемую модель, на которой можно изучать физику самых тяжёлых элементов периодической таблицы. Обычные материалы обычно делят на проводники и изоляторы, но топологические изоляторы ломают такую простую схему. Внутри материал блокирует электрический ток, а по поверхности сохраняет проводящие каналы.
Исследователи поясняют, что поверхностная проводимость топологических изоляторов необычно устойчива. Примеси и физические дефекты плохо нарушают такие токи, поэтому материалы такого класса интересуют разработчиков квантовых технологий и сверхчувствительных датчиков.
Слово «кондо» в названии указывает на квантовый эффект, при котором электроны сильно взаимодействуют друг с другом и начинают вести себя как единая система, а не как набор независимых частиц. В плутонии такую картину усложняют 5f-электроны. По словам авторов работы, именно такие электроны особенно склонны к сильным взаимодействиям, поэтому плутоний остаётся одним из самых драматичных и сложных материалов в современной физике.
Для экспериментов учёные выделяли микроскопические фрагменты PuB6 с помощью плазменного сфокусированного ионного пучка. Такой подход позволил подготовить образцы радиоактивного материала для работы при сверхнизких температурах. Охлаждение убирает тепловые колебания атомов и помогает измерять квантовые свойства без лишнего шума.
Исследователь INL Дэниел Мюррей отметил, что современные методы подготовки образцов позволяют изучать плутоний при очень низких температурах. Для проверки результатов команда работала с теоретическими физиками из Колумбийского университета. Учёные сопоставили лабораторные измерения с численными компьютерными моделями.
Авторы считают, что устойчивые поверхностные токи в топологических материалах могут помочь при создании стабильных вычислительных элементов для квантовых компьютеров и точных магнитных сенсоров. В INL также связывают работу с более широкими задачами — от квантовых вычислений и передовых измерительных систем до новых моделей ядерных материалов и процессов.
Учёные из Айдахской национальной лаборатории получили редкий шанс заглянуть в квантовую механику плутония — одного из самых сложных элементов, с которым физики разбираются уже 86 лет. Исследовательская группа изучила электронное поведение гексаборида плутония PuB6 и показала, что соединение работает как топологический кондо-изолятор.
Работой руководил учёный INL Кшиштоф Гофрик. По его словам, гексаборид плутония даёт редкую возможность увидеть, как в актинидных материалах взаимодействуют сильные электронные корреляции и топология. Для физики тяжёлых элементов такой результат важен не только сам по себе. Плутоний давно играет заметную роль в ядерной безопасности и топливных циклах реакторов, но внутреннее поведение электронов в плутонии до сих пор плохо поддаётся точному описанию.
PuB6 даёт исследователям контролируемую модель, на которой можно изучать физику самых тяжёлых элементов периодической таблицы. Обычные материалы обычно делят на проводники и изоляторы, но топологические изоляторы ломают такую простую схему. Внутри материал блокирует электрический ток, а по поверхности сохраняет проводящие каналы.
Исследователи поясняют, что поверхностная проводимость топологических изоляторов необычно устойчива. Примеси и физические дефекты плохо нарушают такие токи, поэтому материалы такого класса интересуют разработчиков квантовых технологий и сверхчувствительных датчиков.
Слово «кондо» в названии указывает на квантовый эффект, при котором электроны сильно взаимодействуют друг с другом и начинают вести себя как единая система, а не как набор независимых частиц. В плутонии такую картину усложняют 5f-электроны. По словам авторов работы, именно такие электроны особенно склонны к сильным взаимодействиям, поэтому плутоний остаётся одним из самых драматичных и сложных материалов в современной физике.
Для экспериментов учёные выделяли микроскопические фрагменты PuB6 с помощью плазменного сфокусированного ионного пучка. Такой подход позволил подготовить образцы радиоактивного материала для работы при сверхнизких температурах. Охлаждение убирает тепловые колебания атомов и помогает измерять квантовые свойства без лишнего шума.
Исследователь INL Дэниел Мюррей отметил, что современные методы подготовки образцов позволяют изучать плутоний при очень низких температурах. Для проверки результатов команда работала с теоретическими физиками из Колумбийского университета. Учёные сопоставили лабораторные измерения с численными компьютерными моделями.
Авторы считают, что устойчивые поверхностные токи в топологических материалах могут помочь при создании стабильных вычислительных элементов для квантовых компьютеров и точных магнитных сенсоров. В INL также связывают работу с более широкими задачами — от квантовых вычислений и передовых измерительных систем до новых моделей ядерных материалов и процессов.