Naukowcy (prof. Janoschek po prawej) podczas wprowadzania próbki w Spallation Neutron Source

Na rozwiązanie tej zagadki czekano ponad 70 lat. Pluton jednak magnetyczny!

Po ponad 70 latach, fizycy są w stanie odpowiedzieć na jedno z najbardziej podstawowych pytań. Czy pluton wykazuje właściwości magnetyczne? Potwierdzili to amerykańscy naukowcy, co może przyczynić się do postępu w energetyce i informatyce.

Pierwiastek pluton został po raz pierwszy wytworzony w 1941 r. przez amerykańskiego chemika Glenna T. Seaborga. Ze względu na tajność Projektu Manhattan, pracę na temat tego pierwiastka opublikowano dopiero w 1946 r. Jądro plutonu jest niestabilne, dlatego jest użyteczny w reaktorach jądrowych i broni jądrowej. Mało kto wie, że chmura elektronowa otaczająca jądro plutonu jest równie niestabilna i sprawia, że jest to najbardziej złożony elektronowo pierwiastek układu okresowego, o niezwykłych właściwościach.

Czytaj też: Magnetyzm przyszłością dla nowoczesnych protez? Naukowcy z MIT znaleźli alternatywę dla elektrod

Istniejące teorie z powodzeniem wyjaśniają złożone właściwości strukturalne plutonu – sugerują także, że pierwiastek ten powinien być uporządkowany magnetycznie. Do tej pory nie udało się tego jednak potwierdzić eksperymentalnie. Wreszcie zagadka w końcu została rozwiązana przez naukowców z Departamentu Energii w Los Alamos i Oak Ridge (ORNL), którzy dokonali pierwszych bezpośrednich pomiarów unikalnej cechy fluktuującego magnetyzmu plutonu. Wyniki opublikowano w Science Advances.

Pluton znajduje się pomiędzy dwoma ekstremami w swojej konfiguracji elektronowej – w czymś, co nazywamy kwantową superpozycją mechaniczną. W jednej skrajności elektrony są całkowicie zlokalizowane wokół jonu plutonu, co prowadzi do powstania momentu magnetycznego. Następnie elektrony przechodzą w drugą skrajność, gdzie ulegają delokalizacji i nie są już związane z tym samym jonem.

prof. Marc Janoschek z ORNL, główny autor badania

Magnetycznie niestabilny pluton

Wykorzystując pomiary neutronowe wykonane za pomocą instrumentu ARCS w Spallation Neutron Source w ORNL, zespół prof. Janoscheka ustalił, że pluton nie jest pozbawiony magnetyzmu, ale w rzeczywistości jego magnetyzm jest w ciągłym stanie wahań, co czyni go prawie niemożliwym do wykrycia. Fluktuacje magnetyczne mają różną liczbę elektronów w zewnętrznej powłoce walencyjnej, co wyjaśnia również nietypowe zmiany objętości plutonu w różnych fazach. Łatwo daje się je wykryć dzięki neutronom.

Fluktuacje w plutonie występują w specyficznej skali czasowej, na którą nie jest wrażliwa żadna inna metoda. Jest to duży krok naprzód, nie tylko pod względem eksperymentalnym, ale także teoretycznym. Udało nam się wykazać, że dynamiczna teoria średniego pola mniej więcej przewiduje to, co zaobserwowaliśmy. Dostarcza ona naturalnego wyjaśnienia złożonych właściwości plutonu, a w szczególności dużej wrażliwości jego objętości na niewielkie zmiany temperatury lub ciśnienia.

prof. Marc Janoschek

Ponieważ pluton jest radioaktywny i należy obchodzić się z nim bardzo ostrożnie, proces zatwierdzania eksperymentu prof. Janoscheka trwał dwa lata, zanim został ostatecznie zaakceptowany. Naukowcy wiedzieli, że badaną próbkę trzeba ulepszyć na dwa unikalne sposoby. Powszechnie dostępny pluton składa się głównie z izotopu plutonu-239, który silnie pochłania neutrony i mógłby zaciemnić słaby sygnał, którego poszukiwano. Zamiast tego użyto plutonu-242 – izotopu, który pochłania znacznie mniej neutronów. Ponadto pluton zwykle adsorbuje wodór, co prowadzi do silnych sygnałów ubocznych dokładnie tam, gdzie podejrzewano sygnały magnetyczne.

Obserwacje te nie tylko ustalają mikroskopowe wyjaśnienie, dlaczego pluton jest strukturalnie niestabilny, ale pozwalają na lepsze zrozumienie złożonych, funkcjonalnych materiałów, które często charakteryzują się podobnymi fluktuacjami magnetycznymi.