美國愛達荷國立實驗室（INL）的科學家在一種鈈化合物中發現了一種罕見的量子特性，即拓撲 Kondo 絕緣態。這一發現在鈈六硼化物（PuB6）中具有重要意義，因為這種重金屬在工業過程中廣泛應用，然而這一特性卻未曾被探索。鈈於 1940 年代首次由加州大學伯克利分校的研究人員分離出來，並被多個國家廣泛用於建造核武器。這種重金屬同時也在核反應堆中生成，且可以作為燃料回收利用。
儘管科學家對鈈進行了超過 80 年的研究，但其量子特性仍然未知，這部分是因為鈈屬於放射性金屬，研究起來極為困難。這些原子的電子決定了鈈的關鍵性質，如磁性和導電性。處理和測量鈈化合物極具挑戰性，需要高專業化的設施，例如 INL，才能進行研究。
在鈈六硼化物中發現的量子特性被稱為拓撲 Kondo 絕緣態。這一聽起來複雜的名稱，其實相對容易理解。材料要麼是良好的導體，要麼是劣質導體，它們要麼允許電流流過，要麼不允許。拓撲絕緣體則能夠實現兩者：既能導電又能阻止電流的流動。拓撲絕緣體的內部會阻止電子流動，而外部表面則可讓它們自由流動。絕緣體的表面導電性極強，且無法被雜質或物理缺陷所幹擾。Kondo 絕緣態是一種特定的量子效應，其中材料內部的電子相互作用極強，從而產生新的集體行為。
鈈六硼化物為 INL 的研究人員提供了一個難得的機會來觀察這些相互作用是如何發生的。
研究鈈的原因
INL 研究員周樹香在新聞稿中表示：「我們的計算捕捉了鈈六硼化物的基本電子和結構特性。這些計算提供了對其拓撲性質的有力支持，並為研究類似的放射性材料提供了有效的途徑。」瞭解拓撲量子態在放射性材料中如何出現，將幫助研究人員模擬複雜的核行為，為當前不存在的新技術和材料鋪平道路。INL 的研究人員不僅僅測量 PuB6 的性質，還與哥倫比亞大學的研究人員聯手，深入瞭解這種化合物內部的量子層面發生了什麼。
這一點至關重要，因為該化合物在核科學和量子物理中的實際應用。瞭解該化合物的工作原理有助於保障反應堆的安全，同時延長使用的核材料的壽命。
瞭解鈈的量子特性可以幫助開發感測和計算等應用，這將改變核系統和材料的建模方式。這項研究還展示了像 INL 這樣的實驗室的作用，該實驗室擁有設計、製造和研究基於鈈的量子材料的設施。INL 的研究員丹尼爾·穆雷補充道：「INL 是唯一擁有專業知識和基礎設施，能夠高效且安全地對超鈾材料進行此類研究的機構。」這項研究結果已發表在《物理評論研究》期刊上。