Producido por primera vez en 1940, el plutonio es uno de los elementos más complicados electrónicamente en la Tierra, y debido a su complejidad, los científicos han estado luchando para demostrar la existencia de sus propiedades magnéticas desde entonces.
Finalmente, esa lucha terminó, gracias a una combinación oportuna de desarrollos de teoría, algoritmos y códigos, experimentos con neutrones y Titán, la segunda supercomputadora más poderosa del mundo.
El problema había sido que las teorías convencionales de estructura de banda daban a los científicos muchas esperanzas de que se pudieran encontrar fenómenos magnéticos, pero en marcado contraste, esa esperanza siempre se desvaneció por el experimento. Ahora, a través de un avance aprovechando el Departamento de Energía de EE. UU. DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility OLCF y Spallation Neutron Source SNS, ambas instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, los científicos han encontrado la prueba que han buscado durante más de 70 años.
A través de una asignación realizada por el DOE Office of Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, un equipo de teóricos de la materia condensada en la Universidad de Rutgers, dirigido por los profesores Gabriel Kotliar y Kristjan Haule, utilizó cerca de 10 millones de horas centrales de Titán para calcular los componentes electrónicos y magnéticos.estructura del plutonio utilizando una combinación de cálculos de la teoría de la densidad funcional DFT y la técnica de la teoría dinámica de campo dinámico DMFT de vanguardia.
"DFT + DMFT está emergiendo como un poderoso método de estructura electrónica para tratar materiales fuertemente correlacionados, y los cálculos realizados en Titán proporcionan la respuesta definitiva y definitiva sobre el destino del magnetismo en el plutonio", dijo Kotliar.
Titán reveló que el magnetismo del plutonio no "falta", sino que, de hecho, se encuentra en un estado constante de flujo, con energías pequeñas pero finitas. Es por eso que ha sido casi imposible de detectar durante tantos años.De acuerdo con los cálculos de Kotliar sobre Titán, la configuración electrónica del plutonio existe, en cierto sentido, entre dos extremos. Los investigadores llaman a la peculiaridad una superposición mecánica cuántica. En este caso, los electrones se localizan y deslocalizan simultáneamente alrededor del ion plutonio, alternando entre magnéticos y no magnéticos.estados
Kotliar ha estado utilizando la técnica DFT + DMFT durante algún tiempo. Es una técnica eficaz para resolver problemas de muchos cuerpos como el plutonio o cualquier sistema microscópico en el que intervienen grandes cantidades de partículas que interactúan. Junto con el método de Monte Carlo computacionalmente intensivo, los investigadores pueden tomar muestras de un pequeño porcentaje de las interacciones de los electrones, promediarlas y luego seleccionar estadísticamente la mejor solución.
"Sorprendentemente", dijo Kotliar, "DFT + DMFT predijo correctamente la energía necesaria para excitar las excitaciones de giro dentro de errores numéricos y experimentales".
Es una hazaña, dice Kotliar, que podría haberse hecho solo en una máquina tan masivamente paralela como Titán.
las capacidades ORNL se unen
Kotliar no fue el único que intentó resolver el problema del magnetismo del plutonio. Mientras estaba en los números crujientes de OLCF en Titán, el científico principal Marc Janoschek del Laboratorio Nacional de Los Alamos LANL estaba en SNS usando neutrones.
Con el espectrómetro Chopper de alcance angular de SNS, o ARCS, Janoschek y su equipo realizaron experimentos de dispersión de neutrones para obtener confirmación física para probar de una vez por todas que el magnetismo dinámico del plutonio no era solo una teoría. En su reciente artículo publicado en la revistaAvances científicos, Janoschek discutió los hallazgos del equipo.
A partir de las mediciones de ARCS, el equipo determinó que las fluctuaciones transportan un número variable de electrones en la capa de valencia externa del plutonio. Esta determinación también explicó por qué ocurren cambios anormales en las diferentes fases del volumen del plutonio.
Y notablemente, tanto los experimentos de neutrones independientes respectivamente en SNS como los cálculos teóricos realizados en Titán se alinearon en un acuerdo casi perfecto.
"Este es un gran paso adelante, no solo en términos de experimento sino también en teoría. Mostramos con éxito que la teoría dinámica del campo medio más o menos predijo lo que observamos", dijo Janoschek. "Proporciona una explicación natural para el plutoniopropiedades complejas y, en particular, la gran sensibilidad de su volumen a pequeños cambios de temperatura o presión ".
"Los resultados obtenidos no solo resuelven la controversia de larga data entre el experimento y la teoría sobre el magnetismo del plutonio, sino que también sugieren una mejor comprensión de los efectos de dicha dicotomía electrónica en materiales complejos", dijo Kotliar.
Anunciado por muchos colegas científicos en la comunidad de plutonio, es un descubrimiento innovador para estar seguro.
Una de las principales autoridades internacionales en ciencia del plutonio, el ex director de LANL Siegfried Hecker, se refirió a la investigación como un tour de force.
"A través de una gran combinación de teoría dinámica de campo medio y experimento, espectroscopía de neutrones, demuestra que el momento magnético en delta-plutonio es dinámico, impulsado por fluctuaciones de valencia, en lugar de faltar", dijo Hecker. "También proporciona lo mejorexplicación 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 ".
Jack Wells, Director de Ciencia de la OLCF, dijo: "Este avance científico es un excelente ejemplo de lo que se puede lograr a través de la investigación colaborativa entre científicos universitarios y de laboratorios nacionales en el contexto de las instalaciones de usuarios científicos del DOE. Acceso a grandes, uno-instalaciones de usuario únicas en manos de los mejores científicos del mundo han liderado y pueden continuar conduciendo a resultados transformadores, señalando el camino hacia futuros descubrimientos científicos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instalación de informática de liderazgo de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :