Des physiciens des laboratoires nationaux de Los Alamos et Oak Ridge du ministère de l’environnement ont effectué les premières mesures directes d’une caractéristique unique du magnétisme fluctuant du plutonium.
Sphère de plutonium-238 sous sa propre lumière. Avec une demi-vie de 89 ans, le plutonium-238 est utilisé dans des applications spatiales nécessitant une source d’énergie à longue durée de vie. Le plutonium-238 a un taux de production de chaleur relativement élevé, ce qui le rend utile comme source d’énergie. Crédit image : DoE.
Le plutonium a été produit pour la première fois en 1940 et son noyau instable lui permet de subir une fission, ce qui le rend utile pour les combustibles nucléaires ainsi que pour les armes nucléaires. Ce que l’on sait moins, c’est que le nuage électronique qui entoure le noyau de plutonium est tout aussi instable et fait du plutonium l’élément le plus complexe électroniquement du tableau périodique.
Si les théories conventionnelles ont réussi à expliquer les propriétés structurelles complexes du plutonium, elles prédisent également que le plutonium devrait s’ordonner magnétiquement. Cela contraste fortement avec les expériences, qui n’avaient trouvé aucune preuve d’ordre magnétique dans le plutonium. Enfin, ce mystère a été résolu.
Selon le Dr Marc Janoschek du Laboratoire national de Los Alamos et ses co-auteurs, le plutonium n’est pas dépourvu de magnétisme, mais en fait son magnétisme est juste dans un état constant de flux, ce qui le rend presque impossible à détecter.
“Le plutonium existe en quelque sorte entre deux extrêmes dans sa configuration électronique – dans ce que nous appelons une superposition mécanique quantique”, a déclaré le Dr Janoschek.
“Pensez à l’un des extrêmes où les électrons sont complètement localisés autour de l’ion plutonium, ce qui conduit à un moment magnétique. Mais ensuite, les électrons passent à l’autre extrême où ils se délocalisent et ne sont plus associés au même ion désormais.”
Les physiciens ont déterminé que les fluctuations ont un nombre différent d’électrons dans la coquille de valence externe du plutonium – une observation qui explique également les changements anormaux du volume du plutonium dans ses différentes phases.
Les fluctuations dans le plutonium se produisent sur une échelle de temps spécifique à laquelle aucune autre méthode n’est sensible”, a déclaré le Dr Janoschek, auteur principal d’un article sur les résultats disponible en ligne dans le journal “The World”. Science Advances.
“C’est un grand pas en avant, non seulement en termes d’expérience mais aussi de théorie. Nous avons réussi à montrer que la théorie dynamique des champs moyens prédisait plus ou moins ce que nous avons observé.”
Il ajoute : “elle fournit une explication naturelle des propriétés complexes du plutonium et en particulier de la grande sensibilité de son volume à de petits changements de température ou de pression.”
“L’article de M. Janoschek, et al, est un tour de force”, a déclaré le Dr Siegfried Hecker, ancien directeur du Laboratoire national de Los Alamos.
“Grâce à une excellente combinaison de la théorie dynamique du champ moyen et de l’expérience, la spectroscopie neutronique, elle démontre que le moment magnétique dans le delta-plutonium est dynamique, entraîné par les fluctuations de valence, plutôt que manquant.”
“Elle fournit également la meilleure explication à ce jour de la raison pour laquelle le plutonium est si sensible à toutes les perturbations externes – ce que je me suis efforcé de comprendre depuis 50 ans maintenant.”
