В соединении плутония нашли топологический изолятор Кондо
Учёные из Национальной лаборатории Айдахо обнаружили в гексабориде плутония PuB6 редкое квантовое состояние — топологический изолятор Кондо. Для соединений плутония такой результат почти штучный: материал одновременно остаётся изолятором в объёме, проводит ток по поверхности и демонстрирует сильные электронные корреляции. Работа даёт новую экспериментальную систему для изучения актинидов, от которых зависят свойства ядерного топлива и материалов для реакторов.
Плутоний давно считается одним из самых сложных элементов в физике твёрдого тела. Его 5f-электроны могут вести себя и как локализованные, и как подвижные носители заряда. Это свойство связывают с необычной фазовой диаграммой металла: у чистого плутония шесть аллотропных фаз при нормальном давлении, а предсказать его электронное поведение даже для сравнительно простых соединений трудно.
Топологические изоляторы Кондо известны в очень небольшом числе материалов. Самый известный кандидат этого класса, SmB6, изучают больше десяти лет, а среди актинидов таких примеров почти нет из-за радиационной опасности образцов и сложности экспериментов. На этом фоне PuB6 интересен ещё и как структурный аналог редкоземельных гексаборидов, на которых обычно проверяют подобные модели.
Исследователи подготовили микроскопические образцы плутония с помощью сфокусированных ионных пучков и измеряли их свойства при сверхнизких температурах, где квантовые эффекты проявляются отчётливее. Затем результаты сверили с компьютерным моделированием, выполненным вместе с Колумбийским университетом. Расчёты подтвердили, что в PuB6 действительно сосуществуют топологическая поверхностная проводимость и коллективные эффекты, характерные для режима Кондо.
Практический интерес у таких работ вполне прикладной. Электронная структура актинидов влияет на теплопроводность, магнитные свойства, устойчивость к радиации и деградацию материалов со временем. Эти параметры важны для расчёта срока службы топлива, контейнеров хранения и элементов реакторных установок. Отдельная линия интереса связана с квантовыми устройствами: устойчивые поверхностные состояния рассматривают как базу для сенсоров и специализированных вычислительных схем.
Следующий шаг, по сути, очевиден без лишнего пафоса: проверить, встречается ли такой режим у других соединений актинидов. Если да, у исследователей появится новый класс материалов, в котором можно одновременно изучать квантовую топологию и физику тяжёлых элементов. Для ядерной отрасли это вопрос не только фундаментальной науки: в мире работают более 400 энергетических реакторов, и расчёт поведения материалов под нагрузкой остаётся одной из самых дорогих задач отрасли.
