I ricercatori hanno spiegato come sono collegate le proprietà elettroniche e le vibrazioni atomiche dell'uranio.

L'uranio è un elemento radioattivo naturale, il cui nucleo decade in altri elementi. Emette ciò che gli scienziati chiamano la "particella alfa, " il nucleo di un atomo di elio. Gli scienziati hanno progettato con successo metodi per utilizzare la sua radioattività per creare energia nucleare, che ha il potenziale per risolvere la domanda energetica mondiale. Tuttavia, le proprietà elettroniche e termiche dell'uranio non sono molto ben comprese. Un esempio di proprietà elettroniche include la comprensione di come l'elemento si comporta come un superconduttore a temperature vicine allo zero assoluto, o -273 °C.

I ricercatori usano spesso una tecnica chiamata "trasformata di Fourier, " prende il nome dal suo inventore Joseph Fourier, semplificare lo studio delle proprietà dei sistemi. Per esempio, tracciando come una grandezza fisica cambia nel tempo, lo studiano in frequenza, che è chiamato lo "spazio di Fourier" del tempo. Allo stesso modo, la trasformata di Fourier di qualsiasi quantità fisica esistente nello spazio è come varia con la quantità di moto, lo spazio di Fourier della lunghezza. Quando gli scienziati esaminano le implicazioni della meccanica quantistica nella trasformata di Fourier delle vibrazioni atomiche di alcuni solidi, emerge un'anomalia nota come "anomalia di Kohn". È un'aberrazione o un problema nella descrizione matematica del solido nello spazio di Fourier. La variazione dell'energia nello "spazio del momento" influenza il comportamento dei solidi mentre i suoi atomi eseguono piccole vibrazioni attorno alle loro posizioni medie.

I "fononi" sono i quanti dei modi vibrazionali dei solidi, che interagiscono con gli elettroni del solido. Forti interazioni tra fononi ed elettroni portano all'anomalia di Kohn. Uno studio condotto da ricercatori dell'Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) e del Bhabha Atomic Research Center (BARC), Bombay, ha spiegato perché l'uranio mostra più anomalie di Kohn. Il loro studio, finanziato dal Centro di ricerca e consulenza industriale di IIT Bombay, il Dipartimento dell'Energia Atomica, e il Ministero dello Sviluppo delle Risorse Umane (ora Ministero dell'Istruzione), Governo dell'India, è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

I ricercatori hanno rianalizzato i dati degli esperimenti di diffusione anelastica di neutroni sull'uranio effettuati nel 1979. Questi esperimenti hanno sondato le vibrazioni atomiche dell'uranio nello spazio di Fourier, che miravano a utilizzare per comprendere la sua dissipazione del calore in un ambiente nucleare estremo. Però, alla rianalisi, hanno scoperto anomalie di Kohn in molteplici vibrazioni atomiche. Queste anomalie sono state teoricamente proposte per esistere in sistemi unidimensionali, ma la loro osservazione in materiali tridimensionali era rara.

Per comprendere questa singolare osservazione, i ricercatori hanno effettuato ampie simulazioni al computer utilizzando le leggi della meccanica quantistica per studiare come gli elettroni e i fononi interagiscono nel materiale, e quale effetto ha l'interazione sui dati nello spazio di Fourier. "Le simulazioni erano computazionalmente intensive, e abbiamo dovuto usare strutture di supercalcolo situate a IIT Bombay e BARC, su cui si sono svolte le simulazioni per dieci giorni ciascuna, " dice Aditya Prasad Roy di IIT Bombay, primo autore dello studio.

"L'anomalia è la manifestazione più forte dell'interazione elettrone-fonone, " spiega il Prof Dipanshu Bansal di IIT Bombay, uno degli autori dello studio. I superconduttori mostrano anche interazioni così forti tra elettroni e fononi. La spiegazione dell'anomalia di Kohn nell'uranio è un passo avanti verso la comprensione del suo comportamento superconduttivo a temperature prossime allo zero assoluto. "Il nostro lavoro risolve il mistero vecchio di cinque decenni di questo importante materiale nucleare, " afferma il Prof Bansal. Attualmente, i ricercatori stanno studiando la stessa anomalia in altri materiali nucleari a base di uranio e torio.