Tæt adskilte hydrogenatomer kunne lette superledning i omgivelsesbetingelser

Et internationalt team af forskere har opdaget, at brintatomerne i et metalhydridmateriale er meget tættere på hinanden, end man havde forudsagt i årtier - en funktion, der muligvis kan lette superledningen ved eller nær stuetemperatur og tryk.

Sådan et superledende materiale, transporterer elektricitet uden energitab på grund af modstand, ville revolutionere energieffektiviteten i en bred vifte af forbruger- og industrielle applikationer.

Forskerne gennemførte neutronspredningsforsøg på Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory på prøver af zirconium vanadiumhydrid ved atmosfærisk tryk og ved temperaturer fra -450 grader Fahrenheit (5 K) til så højt som -10 grader Fahrenheit (250 K) -meget højere end de temperaturer, hvor superledelse forventes at forekomme under disse forhold.

Deres fund, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , detaljer om de første observationer af sådanne små hydrogen-hydrogen atomare afstande i metalhydridet, helt ned til 1,6 ångstrøm, sammenlignet med de 2,1 angstrom -afstande, der var forudsagt for disse metaller.

Dette interatomiske arrangement er bemærkelsesværdigt lovende, da hydrogen i metaller påvirker deres elektroniske egenskaber. Andre materialer med lignende brintarrangementer har vist sig at starte superledende, men kun ved meget højt tryk.

Forskergruppen omfattede forskere fra forskningsinstituttet Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology), universitetet i Zürich, Det polske videnskabsakademi, University of Illinois i Chicago, og ORNL.

"Nogle af de mest lovende 'høje temperaturer' superledere, såsom lanthan decahydrid, kan begynde superledende ved omkring 8,0 grader Fahrenheit, men kræver desværre også et enormt pres så højt som 22 millioner pund pr. eller næsten 1, 400 gange det tryk, der udøves af vand på den dybeste del af Jordens dybeste hav, "sagde Russell J. Hemley, Professor og fremtrædende formand i naturvidenskab ved University of Illinois i Chicago. "I årtier, 'den hellige gral' for forskere har været at finde eller lave et materiale, der superleder ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, hvilket ville give ingeniører mulighed for at designe det til konventionelle elektriske systemer og enheder. Vi håber, at en billig, stabilt metal som zirconium vanadiumhydrid kan skræddersys til at give netop sådan et superledende materiale. "

Forskere havde undersøgt brintinteraktionerne i det velstuderede metalhydrid med høj opløsning, uelastisk neutronsvibrationsspektroskopi på VISION -strålelinjen ved ORNL's Spallation Neutron Source. Imidlertid, det resulterende spektralsignal, herunder en fremtrædende top på omkring 50 millielektronvolt, var ikke enig i, hvad modellerne forudsagde.

Gennembruddet i forståelsen fandt sted, efter at teamet begyndte at arbejde med Oak Ridge Leadership Computing Facility for at udvikle en strategi til evaluering af dataene. OLCF var dengang hjemsted for Titan, en af ​​verdens hurtigste supercomputere, et Cray XK7 -system, der kørte med hastigheder på op til 27 petaflops (27 quadrillion floating point -operationer pr. sekund).

"ORNL er det eneste sted i verden, der kan prale af både en verdensførende neutronkilde og en af ​​verdens hurtigste supercomputere, "sagde Timmy Ramirez-Cuesta, teamleder for ORNLs kemiske spektroskopiteam. "Kombinationen af ​​disse faciliteters muligheder gjorde det muligt for os at sammensætte neutronspektroskopidata og udtænke en måde at beregne oprindelsen af ​​det uregelmæssige signal, vi stødte på. Det tog et ensemble på 3, 200 individuelle simuleringer, en massiv opgave, der besatte omkring 17% af Titans enorme behandlingskapacitet i næsten en uge - noget en konventionel computer ville have krævet ti til tyve år at gøre. "

Disse computersimuleringer, sammen med yderligere eksperimenter, der udelukker alternative forklaringer, beviste endegyldigt, at den uventede spektrale intensitet kun opstår, når afstande mellem hydrogenatomer er tættere end 2,0 angstrom, som aldrig var blevet observeret i et metalhydrid ved omgivende tryk og temperatur. Holdets fund repræsenterer den første kendte undtagelse fra Switendick -kriteriet i en bimetallisk legering, en regel, der gælder for stabile hydrider ved omgivelsestemperatur og tryk, er hydrogen-brint-afstanden aldrig mindre end 2,1 ångstrøm.

"Et vigtigt spørgsmål er, om den observerede effekt specifikt er begrænset til zirconiumvanadiumhydrid, "sagde Andreas Borgschulte, gruppeleder for brintspektroskopi på Empa. "Vores beregninger for materialet - når vi ekskluderede Switendick -grænsen - var i stand til at gengive toppen, understøtter forestillingen om, at i vanadiumhydrid, hydrogen-brint-par med afstande under 2,1 ångstrøm forekommer. "

I fremtidige forsøg, forskerne planlægger at tilføre mere hydrogen til zirconiumvanadiumhydrid ved forskellige tryk for at evaluere materialets potentiale for elektrisk ledningsevne. ORNL's Summit -supercomputer - som ved 200 petaflops er over 7 gange hurtigere end Titan og siden juni 2018 har været nr. 1 på TOP500 -listen, en halvårlig rangordning af verdens hurtigste computersystemer - kunne give den ekstra computerkraft, der er nødvendig for at analysere disse nye eksperimenter.