Nieuw onderzoek heeft aangetoond dat een magnetische uraniumverbinding sterke thermo-elektrische eigenschappen kan hebben, het genereren van vier keer de transversale spanning van warmte dan het vorige record in een kobalt-mangaan-galliumverbinding. Het resultaat ontsluit een nieuw potentieel voor de actinide-elementen aan de onderkant van het periodiek systeem en wijst op een nieuwe richting in het onderzoek naar topologische kwantummaterialen.

"We ontdekten dat de grote spin-baankoppeling en sterke elektronische correlaties in een systeem van uranium-kobalt-aluminium gedoteerd met ruthenium resulteerden in een kolossale abnormale Nernst-geleidbaarheid, " zei Filip Ronning, hoofdonderzoeker van de krant die vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Ronning is directeur van het Institute for Materials Science in Los Alamos National Laboratory. "Het illustreert dat uranium- en actinidelegeringen veelbelovende materialen zijn om de wisselwerking tussen de topologie van een materiaal en sterke elektronencorrelaties te bestuderen. We zijn erg geïnteresseerd in het begrijpen, afstemmen en uiteindelijk beheersen van dit samenspel, dus hopelijk kunnen we op een dag enkele van deze opmerkelijke reacties benutten."

De Nernst-reactie treedt op wanneer een materiaal een warmtestroom omzet in een elektrische spanning. Dit thermo-elektrische fenomeen kan worden benut in apparaten die elektriciteit opwekken uit een warmtebron. Het meest opvallende huidige voorbeeld zijn de radio-isotopen thermo-elektrische generatoren (RTG's) die gedeeltelijk in Los Alamos zijn ontwikkeld. RTG's gebruiken warmte van het natuurlijke radioactieve verval van plutonium-238 om elektriciteit op te wekken - een van die RTG's drijft momenteel de Perseverance-rover op Mars aan.

"Wat opwindend is, is dat dit kolossale abnormale Nernst-effect te wijten lijkt te zijn aan de rijke topologie van het materiaal. Deze topologie wordt gecreëerd door een grote spin-baankoppeling, wat veel voorkomt in actiniden, Ronning zei. "Een gevolg van topologie in metalen is het genereren van een transversale snelheid, wat aanleiding kan geven tot een Nernst-reactie zoals we zien. Het kan ook andere effecten genereren, zoals nieuwe oppervlaktetoestanden die nuttig kunnen zijn in verschillende kwantuminformatietechnologieën."

Het uraniumsysteem dat door het Los Alamos-team is bestudeerd, genereerde 23 microvolt per kelvin temperatuurverandering - vier keer groter dan het vorige record, die een paar jaar geleden werd ontdekt in een kobalt-mangaan-galliumlegering en ook werd toegeschreven aan dit soort topologische oorsprong.