Onderzoekers hebben uitgelegd hoe de elektronische eigenschappen en atomaire trillingen van uranium met elkaar verbonden zijn.

Uranium is een natuurlijk voorkomend radioactief element, waarvan de kern vervalt in andere elementen. Het zendt uit wat wetenschappers het "alfadeeltje, " de kern van een heliumatoom. Wetenschappers hebben met succes methoden ontworpen om de radioactiviteit ervan te gebruiken om kernenergie te creëren, die het potentieel heeft om de energievraag van de wereld op te lossen. de elektronische en thermische eigenschappen van uranium zijn niet erg goed begrepen. Een voorbeeld van elektronische eigenschappen is begrijpen hoe het element zich gedraagt ​​als een supergeleider bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, of -273 ̊C.

Onderzoekers gebruiken vaak een techniek genaamd de "Fourier-transformatie, " genoemd naar zijn uitvinder Joseph Fourier, om het bestuderen van eigenschappen van systemen te vereenvoudigen. Bijvoorbeeld, terwijl we nagaan hoe een fysieke hoeveelheid verandert met de tijd, ze bestuderen het in frequentie, die de "Fourier-ruimte" van tijd wordt genoemd. evenzo, de Fourier-transformatie van elke fysieke hoeveelheid die in de ruimte bestaat, is hoe deze varieert met momentum, de Fourierruimte van lengte. Wanneer wetenschappers kijken naar de implicaties van de kwantummechanica in de Fourier-transformatie van de atomaire trillingen van sommige vaste stoffen, een anomalie die bekend staat als de "Kohn-anomalie" komt naar voren. Het is een afwijking of probleem in de wiskundige beschrijving van de vaste stof in de Fourier-ruimte. De variatie van de energie in de "momentum-ruimte" beïnvloedt hoe vaste stoffen zich gedragen als de atomen kleine trillingen uitvoeren rond hun gemiddelde posities.

"Fonons" zijn de quanta van de trillingsmodi van vaste stoffen, die interageren met de elektronen van de vaste stof. Sterke interacties tussen fononen en elektronen leiden tot de Kohn-anomalie. Een studie door onderzoekers van het Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) en het Bhabha Atomic Research Centre (BARC), Bombay, heeft verklaard waarom uranium meerdere Kohn-afwijkingen vertoont. hun studie, gefinancierd door het Industrial Research and Consultancy Centre van IIT Bombay, het ministerie van Atoomenergie, en het ministerie van Human Resource Development (nu ministerie van Onderwijs), Overheid van India, werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De onderzoekers analyseerden de gegevens van inelastische neutronenverstrooiingsexperimenten op het uranium, uitgevoerd in 1979, opnieuw. Deze experimenten onderzochten de atomaire trillingen van uranium in de Fourier-ruimte, die ze wilden gebruiken om de warmteafvoer ervan onder een extreme nucleaire omgeving te begrijpen. Echter, bij heranalyse, ze ontdekten Kohn-anomalieën in meerdere atomaire trillingen. Deze anomalieën werden theoretisch voorgesteld om te bestaan ​​​​in eendimensionale systemen, maar hun waarneming in driedimensionale materialen was zeldzaam.

Om deze eigenaardige observatie te begrijpen, de onderzoekers voerden uitgebreide computersimulaties uit met behulp van de wetten van de kwantummechanica om te bestuderen hoe de elektronen en fononen in het materiaal op elkaar inwerken, en welk effect de interactie heeft op de gegevens in de Fourierruimte. "De simulaties waren rekenintensief, en we moesten gebruik maken van supercomputerfaciliteiten bij IIT Bombay en BARC, waarop de simulaties elk tien dagen liepen, " zegt Aditya Prasad Roy van IIT Bombay, eerste auteur van de studie.

"De anomalie is de sterkste manifestatie van elektron-fononinteractie, " legt Prof Dipanshu Bansal van IIT Bombay uit, een van de auteurs van het onderzoek. Supergeleiders vertonen ook zulke sterke interacties tussen elektronen en fononen. De verklaring van de Kohn-anomalie in uranium is een stap in de richting van het begrijpen van het supergeleidende gedrag bij bijna absolute nultemperaturen. "Ons werk lost het vijf decennia oude mysterie van dit belangrijke nucleaire materiaal op, " zegt Prof Bansal. Momenteel, de onderzoekers onderzoeken dezelfde anomalie in ander nucleair materiaal op basis van uranium en thorium.