Forskare har förklarat hur de elektroniska egenskaperna och atomvibrationerna hos uran är kopplade.

Uran är ett naturligt förekommande radioaktivt element, vars kärna sönderfaller till andra element. Det avger vad forskare kallar "alfapartikeln, "kärnan i en heliumatom. Forskare har framgångsrikt utformat metoder för att använda dess radioaktivitet för att skapa kärnkraft, som har potential att lösa världens energibehov. de elektroniska och termiska egenskaperna hos uran är inte särskilt väl förstådda. Ett exempel på elektroniska egenskaper inkluderar att förstå hur elementet beter sig som en superledare vid temperaturer nära den absoluta nolltemperaturen, eller -273 ̊C.

Forskare använder ofta en teknik som kallas "Fourier -transformationen, "uppkallad efter uppfinnaren Joseph Fourier, för att förenkla studier av systemegenskaper. Till exempel, medan du spårar hur en fysisk mängd förändras med tiden, de studerar det i frekvens, som kallas tidens "Fourier space". Liknande, Fourier -transformen av varje fysisk mängd som finns i rymden är hur den varierar med momentum, Fouriers längdutrymme. När forskare tittar på konsekvenserna av kvantmekanik i Fouriertransformen av atomvibrationerna hos vissa fasta ämnen, en anomali som kallas "Kohn -anomali" dyker upp. Det är en aberration eller ett problem i den fasta matematiska beskrivningen i Fourier -rymden. Variationen av energin i "momentum -rymden" påverkar hur fasta ämnen beter sig när dess atomer utför små vibrationer runt sina genomsnittliga positioner.

"Fononer" är kvantiteten för fasta ämnets vibrationssätt, som interagerar med elektronerna i det fasta ämnet. Starka interaktioner mellan fononer och elektroner leder till Kohn -anomalin. En studie av forskare från Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) och Bhabha Atomic Research Center (BARC), Mumbai, har förklarat varför uran uppvisar flera Kohn -avvikelser. Deras studie, finansierad av Industrial Research and Consultancy Center i IIT Bombay, avdelningen för atomenergi, och ministeriet för mänsklig resursutveckling (nu utbildningsministeriet), Indiens regering, publicerades i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Forskarna analyserade om data från oelastiska neutronspridningsförsök på uran som utfördes 1979. Dessa experiment undersökte uranets atomvibrationer i Fourier-rymden, som de ville använda för att förstå dess värmeavledning under en extrem kärnmiljö. Dock, om omanalys, de upptäckte Kohn -avvikelser i flera atomvibrationer. Dessa avvikelser föreslogs teoretiskt att existera i endimensionella system, men deras observation i tredimensionella material var sällsynt.

För att förstå denna märkliga observation, forskarna utförde omfattande datasimuleringar med hjälp av kvantmekanikens lagar för att studera hur elektroner och fononer interagerar i materialet, och vilken effekt interaktionen har på data i Fourier -utrymmet. "Simuleringarna var beräkningsintensiva, och vi var tvungna att använda superdatoranläggningar som ligger vid IIT Bombay och BARC, på vilka simuleringarna kördes i tio dagar vardera, "säger Aditya Prasad Roy från IIT Bombay, första författare till studien.

"Anomalin är den starkaste manifestationen av elektron-fonon-interaktion, "förklarar prof Dipanshu Bansal från IIT Bombay, en av författarna till studien. Superledare uppvisar också så starka interaktioner mellan elektroner och fononer. Förklaringen av Kohn -anomalin i uran är ett steg mot att förstå dess supraledande beteende vid nära absolut noll temperaturer. "Vårt arbete löser det fem decennier gamla mysteriet med detta viktiga kärnmaterial, "säger prof Bansal. För närvarande, forskarna undersöker samma avvikelse i andra uran- och toriumbaserade kärnmaterial.