Исследователи из Окриджской национальной лаборатории установили, что атомы азота в составе нитрида урана демонстрируют неожиданные колебания.

 Эти колебания формируют практически идеальную реализацию модели из учебника физики, известную как изотропический квантовый гармонический генератор.

В эксперименте с кристаллами нитрида урана, в каждом из которых легкие атомы азота находятся в центре клетки из тяжелых атомов урана, нейтронное рассеивание показало неожиданные серии отличных и равномерно разделенных квантовых колебаний: атомы азота вибрировали как шар на пружине на молекулярном уровне.
 
«Студентам-физикам знакома идеализированная квантовая масса на пружине, однако весьма неожиданно было найти настолько точную версию теоретической модели в реальном эксперименте», сказал Стив Наглер.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications.

Исследователи применили интенсивные нейтронные лучи Источника расщепления нейтронов для исследования магнитных свойств одинарного кристалла нитрида урана, когда заметили следы квантовых колебаний. Технология ученых — нейтронное рассеивание — является инструментом, с помощью которого обычно измеряют квантованные звуковые волны или „возбуждения фонона“, которые происходят при низких частотах. Измерения с помощью Источника расщепления нейтронов помогли исследовать более высокие частоты, намного выше частот фонона.

Новые данные выявили до 10 равномерно разделенных энергетических уровней, связанных с квантовыми колебаниями отдельных атомов азота в различных квантовых состояниях. Ученые не ожидали найти серии высокоэнергетических вибрационных режимов нитрида азота — особенно в ходе эксперимента, который изначально намеревался исследовать магнетизм в материале. „Мы узнали о квантовом гармоническом генераторе из учебников физики, но никогда не думали, что в природе найдем столь ясный пример“, заявил постдокторант Адам Ацел, ведущий автор статьи.

Нитрид урана рассматривают в качестве топлива для следующего поколения более эффективных атомных реакторов. Феномен, обнаруженный с помощью Источника расщепления нейтронов, может помочь понять функции материала и поведение в качестве ядерного топлива.

Источник