Elétrons 5f e o mistério do δ-plutônio – Physics World

O plutônio é considerado um elemento fascinante. Foi isolado quimicamente pela primeira vez em 1941 na Universidade da Califórnia, mas sua descoberta ficou escondida até depois da Segunda Guerra Mundial. Existem seis fases alotrópicas distintas de plutônio com propriedades muito diferentes. À pressão ambiente, o aumento contínuo da temperatura converte a fase monoclínica simples da temperatura ambiente através de cinco transições de fase, a última ocorrendo a aproximadamente 450°C.

A fase delta (δ) é talvez o alótropo mais interessante do plutônio. O δ-plutônio é tecnologicamente importante, possui uma estrutura cristalina muito simples, mas sua estrutura eletrônica tem sido debatida há décadas. Os pesquisadores tentaram compreender seu comportamento anômalo e como as propriedades do δ-plutônio estão ligadas aos elétrons 5f.

Os elétrons 5f são encontrados no grupo de elementos actinídeos que inclui o plutônio. Seu comportamento é contra-intuitivo. São sensíveis à temperatura, pressão e composição, e comportam-se tanto de forma localizada, permanecendo próximos ao núcleo, quanto de forma deslocalizada (itinerante), mais espalhadas e contribuindo para a ligação. Ambos os estados podem suportar magnetismo dependendo do elemento actinídeo. Os elétrons 5f contribuem para a estabilidade da fase δ, anomalias no quantity e módulo do materials e para uma expansão térmica negativa onde a fase δ reduz de tamanho quando aquecida.

Neste trabalho, os pesquisadores apresentam um modelo abrangente para prever o comportamento termodinâmico do δ-plutônio, que possui uma estrutura cúbica de face centrada. Eles usam a teoria do funcional da densidade, uma técnica computacional que explora a densidade eletrônica geral do sistema e incorpora efeitos relativísticos para capturar o comportamento de elétrons em movimento rápido e interações magnéticas complexas. O modelo inclui um mecanismo de polarização orbital sem parâmetros para explicar as interações orbitais-orbitais e incorpora vibrações de rede anarmônicas e flutuações magnéticas, tanto nos modos transversais quanto longitudinais, impulsionadas por excitações induzidas pela temperatura. É importante ressaltar que é mostrado que a expansão térmica negativa resulta de flutuações magnéticas.

Este é o primeiro modelo a integrar efeitos eletrônicos, flutuações magnéticas e vibrações de rede em uma estrutura coesa que se alinha com observações experimentais e modelos semi-empíricos como o CALPHAD. Também explica os estados flutuantes além do estado basic e explica como a composição do gálio influencia a expansão térmica. Além disso, o modelo captura o comportamento positivo da expansão térmica da fase épsilon de alta temperatura, oferecendo uma nova visão sobre a complexa termodinâmica do plutônio.

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População Pu 5f: o caso para n = 5,0 JG Tobin e MF Beaux II (2025)