Průlom v jaderné vědě: Sloučenina plutonia odhaluje vzácné kvantové chování pro bezpečnější reaktory a kvantové počítače

Plutonium, jeden z nejsložitějších prvků periodické tabulky, je studováno již více než osm desetiletí. Ačkoliv je často spojováno s jadernou bezpečností, hraje klíčovou roli i v jaderné energetice, kde se vyrábí v reaktorech a může být recyklováno jako palivo.

Plutonium, jeden z nejsložitějších prvků periodické tabulky, je studováno již více než osm desetiletí. Ačkoliv je často spojováno s jadernou bezpečností, hraje klíčovou roli i v jaderné energetice, kde se vyrábí v reaktorech a může být recyklováno jako palivo. Navzdory jeho významu zůstává mnoho jeho základních vlastností záhadou.

Vědci z Idaho National Laboratory (INL) nyní učinili významný objev: sloučenina nazvaná hexaborid plutonia (PuB₆) vykazuje jedinečnou kvantovou vlastnost známou jako topologický Kondo izolující stav. Toto zjištění, publikované v časopise Physical Review Research, představuje jeden z mála případů, kdy bylo takové chování pozorováno u plutoniového materiálu. Otevírá se tak nová cesta pro výzkum fungování některých nejsložitějších prvků v přírodě.

Topologický Kondo izolující stav zní složitě, ale jeho základní myšlenka je překvapivě intuitivní. Většina materiálů na Zemi buď vede elektřinu (jako měděné dráty), nebo ji nepropouští snadno (jako gumová izolace). Topologické izolátory se tomuto vzorci vymykají fascinujícím způsobem: blokují elektrický proud uvnitř svého objemu, zatímco po jejich vnějších površích proudí volně. Povrchová vodivost topologických izolátorů je neobvykle silná a nelze ji snadno narušit nečistotami nebo fyzickými defekty.

Část „Kondo“ odkazuje na specifický kvantový jev, při kterém elektrony uvnitř materiálu tak silně interagují, že vytvářejí zcela nové kolektivní chování, které nelze předpovědět pouhým pohledem na jednotlivé atomy. Plutonium je toho výrazným příkladem. Obsahuje 5f elektrony, které jsou obzvláště náchylné k těmto intenzivním interakcím, což z něj činí jeden z nejdramatičtějších a nejsložitějších známých materiálů. Krzysztof Gofryk, vědec z INL, který studii vedl, uvedl, že plutonium je definováno neobvyklou duální povahou svých 5f elektronů, což jej činí vědecky fascinujícím a hexaborid plutonia poskytuje vzácnou příležitost vidět, jak silné korelace a topologie spolupracují v aktinidových materiálech.

Plutonium stále překvapuje i po 80 letech

Aktinidy jsou skupina prvků, do které patří plutonium a uran. Jejich elektrony ovlivňují kritické vlastnosti, jako je magnetismus, elektrická vodivost a odolnost materiálů vůči extrémnímu záření a teplotě. Pochopení těchto vlastností na kvantové úrovni – v měřítku atomů a elektronů – je nezbytné pro předpověď stárnutí jaderných materiálů, zlepšení bezpečnosti reaktorů a návrh budoucích energetických systémů.

Aktinidy jsou notoricky obtížné na studium a pokrok v této oblasti byl postupný. Sloučeniny plutonia se mimořádně obtížně manipulují, syntetizují a měří. Pouze několik zařízení na světě to dokáže bezpečně, a INL je jedním z nich. INL disponuje specializovanou infrastrukturou, včetně technik plazmového fokusovaného iontového paprsku, které se používají k přípravě mikroskopických vzorků plutonia pro ultrachladná kvantová měření. Tato měření jsou nejpřesnějším způsobem pozorování kvantové mechaniky bez rušení teplem. Tyto schopnosti umožnily nejnovější objev. Daniel Murray, výzkumník z INL, zdůraznil, že INL je jediné zařízení s odbornými znalostmi a infrastrukturou pro efektivní a bezpečné provádění tohoto druhu výzkumu transuranových materiálů.