Des chercheurs ont expliqué comment les propriétés électroniques et les vibrations atomiques de l'uranium sont liées.

L'uranium est un élément radioactif naturel, dont le noyau se désintègre en d'autres éléments. Il émet ce que les scientifiques appellent la « particule alpha, " le noyau d'un atome d'hélium. Les scientifiques ont conçu avec succès des méthodes pour utiliser sa radioactivité pour créer de l'énergie nucléaire, qui a le potentiel de résoudre les besoins énergétiques du monde. Cependant, les propriétés électroniques et thermiques de l'uranium ne sont pas très bien comprises. Un exemple de propriétés électroniques comprend la compréhension du comportement de l'élément comme un supraconducteur à des températures proches du zéro absolu, ou -273 C.

Les chercheurs utilisent souvent une technique appelée la "transformée de Fourier, " du nom de son inventeur Joseph Fourier, simplifier l'étude des propriétés des systèmes. Par exemple, tout en traçant comment une grandeur physique change avec le temps, ils l'étudient en fréquence, que l'on appelle "l'espace de Fourier" du temps. De la même manière, la transformée de Fourier de toute quantité physique existant dans l'espace est la façon dont elle varie avec la quantité de mouvement, l'espace de Fourier de la longueur. Lorsque les scientifiques examinent les implications de la mécanique quantique dans la transformée de Fourier des vibrations atomiques de certains solides, une anomalie connue sous le nom d'« anomalie de Kohn » émerge. C'est une aberration ou un problème dans la description mathématique du solide dans l'espace de Fourier. La variation de l'énergie dans "l'espace impulsionnel" affecte le comportement des solides car ses atomes effectuent de petites vibrations autour de leurs positions moyennes.

Les "phonons" sont les quanta des modes vibrationnels des solides, qui interagissent avec les électrons du solide. De fortes interactions entre les phonons et les électrons conduisent à l'anomalie de Kohn. Une étude menée par des chercheurs de l'Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) et du Bhabha Atomic Research Center (BARC), Bombay, a expliqué pourquoi l'uranium présente de multiples anomalies de Kohn. Leur étude, financé par le Centre de recherche et de conseil industriel de l'IIT Bombay, le Département de l'énergie atomique, et le ministère du Développement des ressources humaines (aujourd'hui ministère de l'Éducation), Gouvernement d'Inde, a été publié dans la revue Lettres d'examen physique .

Les chercheurs ont ré-analysé les données d'expériences de diffusion inélastique de neutrons sur l'uranium menées en 1979. Ces expériences ont sondé les vibrations atomiques de l'uranium dans l'espace de Fourier, qu'ils cherchaient à utiliser pour comprendre sa dissipation thermique dans un environnement nucléaire extrême. Cependant, après réanalyse, ils ont découvert des anomalies de Kohn dans de multiples vibrations atomiques. Ces anomalies ont été théoriquement proposées pour exister dans des systèmes unidimensionnels, mais leur observation dans des matériaux tridimensionnels était rare.

Pour comprendre cette étrange observation, les chercheurs ont réalisé des simulations informatiques approfondies en utilisant les lois de la mécanique quantique pour étudier comment les électrons et les phonons interagissent dans le matériau, et quel effet l'interaction a sur les données dans l'espace de Fourier. « Les simulations étaient intensives en calculs, et nous avons dû utiliser des installations de supercalcul situées à l'IIT Bombay et au BARC, sur lesquelles les simulations ont duré dix jours chacune, " dit Aditya Prasad Roy de IIT Bombay, premier auteur de l'étude.

"L'anomalie est la manifestation la plus forte de l'interaction électron-phonon, " explique le professeur Dipanshu Bansal de l'IIT Bombay, l'un des auteurs de l'étude. Les supraconducteurs présentent également de telles interactions fortes entre les électrons et les phonons. L'explication de l'anomalie de Kohn dans l'uranium est une étape vers la compréhension de son comportement supraconducteur à des températures proches du zéro absolu. "Notre travail résout le mystère vieux de cinq décennies de cette importante matière nucléaire, " dit le professeur Bansal. Actuellement, les chercheurs étudient la même anomalie dans d'autres matières nucléaires à base d'uranium et de thorium.