大多数物质受热会膨胀，因温度升高使原子振动加剧、相互分离并占据更多空间，但δ-钚在高于室温时却会收缩，这一现象几十年来困扰着科学家。近日，相关研究取得新进展。
在《物理学进展报告》上发表的一项新研究中，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员开发出一个详细模型。该模型不仅能重现δ-钚这种违反直觉的热行为，还解释了背后的物理原理。
钚在所有元素金属中，因电子结构极其复杂而特殊，其结构由相对论、磁性和晶体排列相互作用形成。研究人员通过计算材料的自由能(衡量系统内可用能量的指标)，深入了解了δ-钚独特且通常不可预测的特性。此次新模型首次将磁波动影响纳入其中，通过考虑磁状态随温度的变化，更全面地认识影响钚独特行为的微妙力量。
劳伦斯利夫兰国家实验室(LLNL)科学家兼研究作者佩尔·索德林德(Per Söderlind)称，自由能是决定材料状态的基本因素，对研究特定物质至关重要，该实验室大量研究致力于预测钚在不同条件下的行为，这些预测的准确性很大程度上依赖对金属电子结构和自由能的深入理论理解，二者是解释钚不寻常特性的关键。
结合与温度相关的磁状态，该模型准确再现了δ-钚在高温下收缩这一不寻常的实验观察结果。这种创新方法不仅为钚复杂的热学和电子学特性提供了新见解，还可扩展到其他动态磁性起关键作用的材料，如地球物理学中意义重大的铁及其合金。索德林德表示，引入独特波动磁态标志着钚建模的重大进展。
展望未来，研究人员目标是扩展模型，纳入现实世界中钚样品自然产生的微观结构、缺陷等因素，这些因素会显著影响材料行为和特性。通过捕捉这些细微差别，团队希望大幅提高对钚在实际应用中性能预测的准确性，包括其在不同环境条件下的稳定性，助力更安全地处理钚、改进材料设计并更有效利用钚。
