Hvordan urans elektroniske egenskaber og atomvibrationer er forbundet

Forskere har forklaret, hvordan urans elektroniske egenskaber og atomvibrationer er forbundet.

Uran er et naturligt forekommende radioaktivt grundstof, hvis kerne henfalder til andre grundstoffer. Den udsender, hvad forskerne kalder "alfa-partiklen, " kernen af ​​et heliumatom. Forskere har med succes designet metoder til at bruge dets radioaktivitet til at skabe atomkraft, som har potentialet til at løse verdens energibehov. de elektroniske og termiske egenskaber af uran er ikke særlig godt forstået. Et eksempel på elektroniske egenskaber omfatter forståelse af, hvordan elementet opfører sig som en superleder ved temperaturer tæt på den absolutte nultemperatur, eller -273 ̊C.

Forskere bruger ofte en teknik kaldet "Fourier transformation, "opkaldt efter opfinderen Joseph Fourier, for at forenkle undersøgelse af systemers egenskaber. For eksempel, mens man sporer, hvordan en fysisk størrelse ændrer sig med tiden, de studerer det i frekvens, som kaldes tidens "Fourier-rum". Tilsvarende Fourier-transformationen af ​​enhver fysisk størrelse, der findes i rummet, er, hvordan den varierer med momentum, Fourier -længden. Når videnskabsmænd ser på implikationerne af kvantemekanik i Fourier-transformationen af ​​de atomare vibrationer af nogle faste stoffer, en anomali kendt som "Kohn-anomalien" dukker op. Det er en aberration eller et problem i faststoffets matematiske beskrivelse i Fourierrummet. Variationen af ​​energien i "momentumrummet" påvirker, hvordan faste stoffer opfører sig, da dets atomer udfører små vibrationer omkring deres gennemsnitlige positioner.

"Fononer" er kvanta af vibrationstilstande af faste stoffer, som interagerer med elektronerne i det faste stof. Stærke interaktioner mellem fononer og elektroner fører til Kohn-anomalien. En undersøgelse foretaget af forskere fra Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) og Bhabha Atomic Research Center (BARC), Mumbai, har forklaret, hvorfor uran udviser flere Kohn-anomalier. Deres studie, finansieret af Industrial Research and Consultancy Center i IIT Bombay, Institut for Atomenergi, og ministeriet for udvikling af menneskelige ressourcer (nu undervisningsministeriet), Indiens regering, blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

Forskerne genanalyserede dataene fra uelastiske neutronspredningsforsøg på uran udført i 1979. Disse eksperimenter undersøgte urans atomvibrationer i Fourier-rummet, som de havde til formål at bruge til at forstå dets varmeafledning under et ekstremt nukleart miljø. Imidlertid, ved genanalyse, de opdagede Kohn-anomalier i flere atomare vibrationer. Disse anomalier blev teoretisk foreslået at eksistere i endimensionelle systemer, men deres observation i tredimensionelle materialer var sjælden.

For at forstå denne ejendommelige observation, forskerne udførte omfattende computersimuleringer ved hjælp af kvantemekanikkens love for at studere, hvordan elektronerne og fononerne interagerer i materialet, og hvilken effekt interaktionen har på dataene i Fourier-rummet. "Simuleringerne var beregningsintensive, og vi var nødt til at bruge supercomputing-faciliteter placeret ved IIT Bombay og BARC, hvorpå simuleringerne kørte i ti dage hver, " siger Aditya Prasad Roy fra IIT Bombay, førsteforfatter til undersøgelsen.

"Anomalien er den stærkeste manifestation af elektron-fonon-interaktion, " forklarer prof Dipanshu Bansal fra IIT Bombay, en af ​​forfatterne til undersøgelsen. Superledere udviser også så stærke vekselvirkninger mellem elektroner og fononer. Forklaringen på Kohn-anomalien i uran er et skridt i retning af at forstå dets superledende adfærd ved næsten det absolutte nulpunkt. "Vores arbejde løser det fem årtier gamle mysterium om dette vigtige nukleare materiale, " siger prof Bansal. I øjeblikket, forskerne undersøger den samme anomali i andre uran- og thoriumbaserede nukleare materialer.