Плутоний был впервые произведен в 1940 году, и его нестабильное ядро позволяет ему подвергаться делению, что делает его полезным для ядерного топлива, а также для ядерного оружия. Однако гораздо менее известно, что электронное облако, окружающее ядро плутония, столь же нестабильно и делает плутоний самым электронно сложным элементом в периодической таблице с интригующе замысловатыми свойствами для простого элементарного металла.Хотя традиционные теории успешно объяснили сложные структурные свойства плутония, они также предсказывают, что плутоний должен иметь магнитный порядок.
Это резко контрастирует с экспериментами, которые не обнаружили доказательств магнитного порядка в плутонии.Наконец, спустя семь десятилетий, эта научная загадка «недостающего» магнетизма плутония была решена. Используя рассеяние нейтронов, исследователи из национальных лабораторий Лос-Аламоса и Окриджа (ORNL) Министерства энергетики впервые провели прямые измерения уникальной характеристики флуктуирующего магнетизма плутония. В недавней статье в журнале Science Advances Марк Яношек из Лос-Аламоса, ведущий ученый, объясняет, что плутоний не лишен магнетизма, но на самом деле его магнетизм просто находится в постоянном состоянии потока, что делает практически невозможным его обнаружение. .«Плутоний как бы существует между двумя крайностями в своей электронной конфигурации — в том, что мы называем квантово-механической суперпозицией», — сказал Яношек. «Подумайте об одной крайности, когда электроны полностью локализованы вокруг иона плутония, что приводит к магнитному моменту.
Но затем электроны переходят в другую крайность, когда они становятся делокализованными и больше не связаны с одним и тем же ионом».Используя нейтронные измерения, сделанные на приборе ARCS в источнике нейтронов расщепления ORNL, учреждении Министерства энергетики США, Яношек и его команда определили, что флуктуации имеют разное количество электронов во внешней валентной оболочке плутония — наблюдение, которое также объясняет аномальные изменения в объем плутония в его различных фазах.Нейтроны идеально подходят для этого исследования, поскольку они способны обнаруживать магнитные флуктуации.
«Колебания плутония происходят в определенном временном масштабе, к которому не чувствителен никакой другой метод», — сказал Яношек.«Это большой шаг вперед не только с точки зрения эксперимента, но и в теории. Мы успешно показали, что теория динамического среднего поля более или менее предсказывала то, что мы наблюдали», — сказал Яношек. «Это дает естественное объяснение сложных свойств плутония и, в частности, большой чувствительности его объема к небольшим изменениям температуры или давления».
Исследования Яношека родились из более широких усилий по изучению плутония, но на этом пути натолкнулись на несколько препятствий. Плутоний радиоактивен, и с ним нужно обращаться с большой осторожностью, поэтому процесс утверждения этого эксперимента длился два года, прежде чем проект был окончательно принят.
Более того, хотя научная группа знала, что измерения нейтронной спектроскопии являются ключом к достижению прогресса в изучении «недостающего» магнетизма плутония, анализ предыдущих попыток нейтронов другими группами показал, что их образец необходимо улучшить двумя уникальными способами: во-первых, обычно доступный плутоний. в основном состоит из изотопа плутония-239, который хорошо поглощает нейтроны и может скрыть слабый сигнал, который они искали. Вместо этого команда использовала плутоний-242, изотоп, который поглощает гораздо меньше нейтронов.
Кроме того, плутоний обычно адсорбирует водород, что приводит к сильным ложным сигналам именно там, где предполагались магнитные сигналы.«Мы использовали специальный метод, разработанный в Лос-Аламосе, чтобы удалить водород из нашего образца», — сказал Яношек. «Многие люди в нашей лаборатории и в комплексе помогли решить эти проблемы, но я особенно благодарен Эрику Бауэру, руководителю отдела по синтезу и характеристике материалов в группе изучения конденсированных сред и магнитов в Лос-Аламосе, за помощь в разработке успешного эксперимента. . "Зигфрид Хеккер, бывший директор Лос-Аламоса и один из ведущих международных авторитетов в области плутониевой науки, сказал: «Статья М. Яношека и др. — это демонстрация силы. Благодаря великолепному сочетанию динамической теории среднего поля и эксперимента , нейтронная спектроскопия, он демонстрирует, что магнитный момент в дельта-плутонии является динамическим, обусловленным колебаниями валентности, а не отсутствующим.
«Это также дает лучшее на сегодняшний день объяснение того, почему плутоний так чувствителен ко всем внешним возмущениям — то, что я пытался понять уже 50 лет», — сказал Хекер.То, что эта работа дала новаторские результаты, также отражено в реакции коллег-ученых из плутониевого сообщества: «Более чем один человек заявлял, что это наиболее значимое измерение плутония в поколении», — сказал Лоуренс Ливерморской национальной лаборатории по программе Plutonium Futures.
Скотт Макколл.Эти наблюдения не только устанавливают микроскопическое объяснение того, почему плутоний структурно нестабилен, но и в более широком смысле предлагают лучшее понимание сложных функциональных материалов, которые часто характеризуются аналогичной электронной дихотомией.Действительно, расчеты динамической теории среднего поля, используемые в этой работе, достигли нового уровня сложности. Яношек отмечает, что методы, разработанные в этом исследовании, обещают открыть дверь для будущих исследований тех других сложных материалов, которые считаются критически важными для будущих вычислительных и энергетических приложений.
Яношек и его команда выполнили динамические вычисления теории среднего поля на суперкомпьютере Titan, расположенном в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) в ORNL. Яношек сказал, что команда потратила на вычисления почти 10 миллионов часов.