El Laboratorio Nacional Oak Ridge es administrado por UT-Battelle para el Departamento de Energía
Doug Abernathy, a la izquierda, científico de instrumentos ARCS en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y Marc Janoschek, Laboratorio Nacional de Los Alamos, preparan su muestra para experimentos en la fuente de neutrones de la espalación. (imagen de alta resolución)
OAK RIDGE, Tenn., 10 de julio de 2015 - El trabajo pionero en dos laboratorios nacionales del Departamento de Energía ha confirmado el magnetismo del plutonio, que los científicos han teorizado durante mucho tiempo pero que nunca han podido observar experimentalmente. Los avances que permitieron el descubrimiento son muy prometedores para los materiales, la energía y las aplicaciones informáticas.
El plutonio se produjo por primera vez en 1940 y su núcleo inestable le permite experimentar la fisión, por lo que es útil para los combustibles nucleares, así como para las armas nucleares. Mucho menos conocido, sin embargo, es que la nube electrónica que rodea al núcleo de plutonio es igualmente inestable y convierte al plutonio en el elemento electrónicamente más complejo de la tabla periódica, con intrigantes y complejas propiedades para un simple metal elemental.
Si bien las teorías convencionales han explicado con éxito las complejas propiedades estructurales del plutonio, también predicen que el plutonio debe ordenarse magnéticamente. Esto está en marcado contraste con los experimentos, que no encontraron evidencia de orden magnético en el plutonio.
Finalmente, después de siete décadas, este misterio científico sobre el magnetismo "perdido" del plutonio se ha resuelto. Usando la dispersión de neutrones, los investigadores de los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de Los Alamos y Oak Ridge (ORNL) han realizado las primeras mediciones directas de una característica única del magnetismo fluctuante del plutonio. En un artículo reciente en la revista Science Advances, Marc Janoschek de Los Alamos, el científico principal del artículo, explica que el plutonio no está exento de magnetismo, pero de hecho su magnetismo está en constante estado de flujo, por lo que es casi imposible detectarlo. .
"El tipo de plutonio existe entre dos extremos en su configuración electrónica, en lo que llamamos una superposición mecánica cuántica", dijo Janoschek. "Piensa en el extremo donde los electrones están completamente localizados alrededor del ion plutonio, lo que conduce a un momento magnético. Pero luego los electrones van al otro extremo donde se deslocalizan y ya no están asociados con el mismo ion ".
Utilizando mediciones de neutrones realizadas en el instrumento ARCS en la Fuente de neutrones de spallation de ORNL, Janoschek y su equipo determinaron que las fluctuaciones tienen diferentes números de electrones en la capa exterior de valencia del plutonio, una observación que también explica los cambios anormales en el plutonio. volumen en sus diferentes fases.
Los neutrones son especialmente adecuados para esta investigación ya que son capaces de detectar fluctuaciones magnéticas.
"Las fluctuaciones en el plutonio ocurren en una escala de tiempo específica que ningún otro método es sensible", dijo Janoschek.
"Este es un gran paso adelante, no solo en términos de experimento sino también en teoría". Hemos demostrado con éxito que la teoría dinámica del campo medio más o menos predijo lo que observamos ", dijo Janoschek. "Proporciona una explicación natural para las propiedades complejas del plutonio y, en particular, la gran sensibilidad de su volumen a pequeños cambios en la temperatura o la presión".
La investigación de Janoschek nació de un esfuerzo más amplio para estudiar el plutonio, pero se encontró con varios obstáculos en el camino. El plutonio es radiactivo y debe manipularse con sumo cuidado, por lo que el proceso de aprobación para este experimento duró dos años antes de que el proyecto fuera finalmente aceptado.
Además, aunque el equipo científico sabía que las mediciones de espectroscopia de neutrones eran clave para progresar en el magnetismo "perdido" del plutonio, el análisis de esfuerzos de neutrones previos por otros equipos les enseñó que su muestra necesitaba mejorarse de dos maneras únicas: Primero, plutonio típicamente disponible consiste predominantemente en el isótopo plutonio-239, que es altamente absorbente de neutrones y oscurecería la débil señal que buscaban. El equipo usó plutonio-242 en su lugar, un isótopo que absorbe muchos menos neutrones. Además, el plutonio generalmente adsorbe hidrógeno, lo que conduce a fuertes señales espurias exactamente donde se sospechaban las señales magnéticas.
"Usamos un método especial desarrollado en Los Alamos para eliminar el hidrógeno de nuestra muestra", dijo Janoschek. "Muchas personas en nuestro laboratorio y el complejo ayudaron a resolver estos problemas, pero estoy especialmente agradecido a Eric Bauer, Líder de Capacidades de Síntesis y Caracterización de Materiales en el grupo Condensed Matter y Magnet Science en Los Alamos, por ayudarme a diseñar un experimento exitoso. "
Siegfried Hecker, ex director de Los Alamos y una de las principales autoridades internacionales en ciencia del plutonio, dijo: "El artículo de M. Janoschek, et al., Es un tour de force. A través de una gran combinación de la teoría del campo dinámico medio y el experimento, la espectroscopia de neutrones, demuestra que el momento magnético en delta-plutonio es dinámico, impulsado por fluctuaciones de valencia, en lugar de desaparecer.
"También proporciona la mejor explicación hasta la fecha de por qué el plutonio es tan sensible a todas las perturbaciones externas, algo que he luchado por comprender durante 50 años", dijo Hecker.
Que este trabajo produjo resultados innovadores también se refleja en las reacciones de otros científicos en la comunidad de plutonio: "Más de una persona ha declarado que esta es la medida más significativa sobre el plutonio en una generación", dijo el Presidente del Programa Nacional de Plutonio Lawrence Livermore Scott McCall.
Estas observaciones no solo establecen una explicación microscópica de por qué el plutonio es estructuralmente inestable, sino más ampliamente, sugieren una mejor comprensión de materiales complejos y funcionales que con frecuencia se caracterizan por dicotomías electrónicas similares.
De hecho, los cálculos dinámicos de la teoría de campo medio utilizados en este trabajo han alcanzado un nuevo nivel de sofisticación. Janoschek señala que los métodos desarrollados en esta investigación prometen abrir la puerta para futuras investigaciones sobre esos otros materiales complejos que se consideran críticos para las futuras aplicaciones informáticas y energéticas. Janoschek y su equipo corrieron los cálculos dinámicos de la teoría de campo medio en la supercomputadora Titan ubicada en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge (OLCF) en ORNL. Janoschek dijo que el equipo utilizó casi 10 millones de horas centrales para sus cálculos.
Los coautores de Janoschek incluyen a Doug Abernathy y Mark Lumsden de ORNL; Pinaki Das, JM Lawrence, JD Thompson, JN Mitchell, S. Richmond, M. Ramos, F. Trouw, J.-X. Zhu y Eric Bauer de Los Alamos; GH Lander de la Comisión Europea; y B. Chakrabarti, K. Haule y G. Kotliar de la Universidad de Rutgers.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE y el programa de investigación y desarrollo dirigido por el Laboratorio Nacional de Los Álamos. Esta investigación usó los recursos de la Fuente de Neutrones de Spallation y de la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge en ORNL, que son Instalaciones de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Los Alamos National Laboratory es operado por Los Alamos National Security, LLC, un equipo compuesto por Bechtel National, la Universidad de California, The Babcock & Wilcox Company y URS Corporation para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía. ORNL es administrado por UT-Battelle para la Oficina de Ciencia del DOE.
La Oficina de Ciencia del DOE es el principal defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov .