Учёные из Национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory) сообщили об обнаружении у гексаборида плутония (PuB6) редкого квантового состояния — топологического изолятора Кондо. Подобное поведение ранее наблюдалось лишь у небольшого числа материалов, а для соединений плутония оно зафиксировано всего в нескольких случаях.
Плутоний считается одним из самых сложных элементов периодической таблицы. С момента его получения в 1940 году учёные выяснили многие его свойства, однако поведение его электронов до сих пор остаётся одной из наиболее трудных задач современной физики. Особый интерес представляют 5f-электроны плутония, которые могут одновременно вести себя и как локализованные частицы, и как свободно движущиеся носители заряда.
Именно это необычное поведение лежит в основе обнаруженного эффекта. Топологические изоляторы представляют собой материалы, которые практически не проводят электрический ток внутри, но позволяют ему свободно распространяться по поверхности. При этом поверхностная проводимость обладает высокой устойчивостью к дефектам и примесям.
Термин «Кондо» относится к квантовому явлению, возникающему при сильном взаимодействии электронов друг с другом. В таких условиях свойства материала перестают определяться поведением отдельных атомов и начинают формироваться коллективными квантовыми эффектами. Плутоний считается одним из наиболее ярких примеров подобных систем.
Исследователи обнаружили, что в гексабориде плутония оба этих явления — топологическая проводимость и сильные электронные корреляции — существуют одновременно. Это делает соединение уникальной экспериментальной платформой для изучения актинидов — группы тяжёлых элементов, к которой относятся плутоний и уран.
Изучение таких материалов имеет не только фундаментальное значение. Электронные свойства актинидов определяют их магнитные характеристики, электрическую проводимость, а также устойчивость к высоким температурам и интенсивному радиационному воздействию. Понимание этих процессов необходимо 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 сверхнизких температурах, где квантовые эффекты проявляются наиболее отчётливо.
Экспериментальные результаты были дополнительно проверены с помощью компьютерного моделирования, выполненного совместно с исследователями из Колумбийского университета. Расчёты подтвердили наличие у гексаборида плутония топологических свойств и позволили лучше понять его электронную структуру.
Авторы работы считают, что открытие создаёт основу для изучения других сложных соединений актинидов, которые ранее были практически недоступны для экспериментальной физики. Помимо задач ядерной энергетики, такие материалы могут представлять интерес для квантовых вычислений, высокоточных сенсоров и новых методов моделирования поведения ядерных систем.