北京
拓?fù)浣^緣體既能導(dǎo)電又能阻擋電流流動(dòng)，這使它們成為不遵循傳統(tǒng)導(dǎo)體與絕緣體分類的獨(dú)特材料。
美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）的科學(xué)家在一種钚化合物中發(fā)現(xiàn)了一種罕見的量子特性——拓?fù)浣俳^緣態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)見于六硼化钚（PuB?），意義重大，因?yàn)檫@種重金屬雖已被廣泛研究并用于工業(yè)過(guò)程，但該特性此前一直未被探索。
钚于20世紀(jì)40年代由加州大學(xué)伯克利分校的研究人員首次分離出來(lái)，隨后被多國(guó)廣泛用于制造核武庫(kù)。這種重金屬也在核反應(yīng)堆中產(chǎn)生，并可回收用作燃料。80多年來(lái)，科學(xué)家對(duì)钚進(jìn)行了廣泛研究，但其量子特性卻一直不為人知。
這在一定程度上是因?yàn)轭惺且环N錒系金屬，研究起來(lái)極其困難。磁性、導(dǎo)電性等關(guān)鍵性質(zhì)由這些原子的電子決定。钚化合物難以處理和測(cè)量，需要像INL所擁有的那種高度專業(yè)化的設(shè)施才能進(jìn)行研究。
钚中的量子特性
在六硼化钚中發(fā)現(xiàn)的量子特性被稱為拓?fù)浣俳^緣態(tài)。這個(gè)名稱聽起來(lái)復(fù)雜，但其背后的量子特性卻相當(dāng)容易理解。
材料要么是電的良導(dǎo)體，要么是不良導(dǎo)體（絕緣體），要么允許電流通過(guò)，要么不允許。而拓?fù)浣^緣體卻能兩者兼得：既能導(dǎo)電，又能阻擋電流。拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部會(huì)阻擋電子流動(dòng)，而外部表面則允許電子自由流動(dòng)。
拓?fù)浣^緣體的表面導(dǎo)電性極強(qiáng)，且不會(huì)被雜質(zhì)或物理缺陷破壞。近藤絕緣態(tài)是一種特殊的量子效應(yīng)，材料內(nèi)的電子發(fā)生極強(qiáng)相互作用，從而產(chǎn)生新的集體行為。
六硼化钚為INL的研究人員提供了一個(gè)罕見的機(jī)會(huì)，去觀察這些相互作用是如何發(fā)生的。
為何研究钚？
INL研究員周樹祥（Shuxiang Zhou，音譯）在新聞稿中表示：“我們的計(jì)算捕捉到了六硼化钚的基本電子和結(jié)構(gòu)特性，為其拓?fù)湫再|(zhì)提供了有力支持，并為研究類似的錒系材料提供了一條高效途徑。”
了解拓?fù)淞孔討B(tài)如何在錒系材料中涌現(xiàn)，將幫助研究人員模擬復(fù)雜的核行為，為目前尚不存在的新技術(shù)和新材料鋪平道路。
INL的研究人員沒有僅僅測(cè)量PuB?的性質(zhì)，而是與哥倫比亞大學(xué)的研究人員合作，去理解該化合物內(nèi)部在量子層面上究竟發(fā)生了什么。
這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵摶衔镌诤丝茖W(xué)和量子物理中具有實(shí)際應(yīng)用。了解該化合物的工作原理有助于保持反應(yīng)堆的安全，同時(shí)延長(zhǎng)所用核材料的壽命。
理解钚的量子方面有助于開發(fā)傳感和計(jì)算等應(yīng)用，這可能會(huì)重塑核系統(tǒng)和核材料的建模方式。
這項(xiàng)研究也展示了像INL這樣擁有設(shè)計(jì)、制造和研究钚基量子材料設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室所發(fā)揮的作用。參與這項(xiàng)工作的INL研究員丹尼爾·默里（Daniel Murray）補(bǔ)充道：“INL是唯一具備專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)設(shè)施，能夠高效、安全地對(duì)超鈾材料開展此類研究的機(jī)構(gòu)。”
該研究成果已發(fā)表在《物理評(píng)論研究》期刊上。
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