緊密分布的氫原子可促進環(huán)境條件下的超導

一個國際研究人員小組發(fā)現(xiàn)，金屬氫化物材料中的氫原子比幾十年來的預測緊密得多，這一特征可能會促進在室溫或室溫或接近室溫的超導性。

這樣的超導材料能夠在不因電阻而導致任何能量損失的情況下輸送電能，從而在廣泛的消費和工業(yè)應用中徹底改變能源效率。

科學家在能源部的橡樹嶺實驗室進行了中子散射實驗，研究了大氣壓下-450華氏度(5 K)至-10華氏度(250 K)的溫度下氫化釩酸鋯樣品。高于在這些條件下預計會發(fā)生超導的溫度。

他們的發(fā)現(xiàn) 發(fā)表在 《 科學院院刊》上， 詳細介紹了氫氫化物中如此小的氫-氫原子距離(最初為1.6埃，而對于這些金屬的預測值為2.1埃)的首次觀察。

由于金屬中所含的氫會影響其電子性能，因此這種原子間排列非常有前途。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有類似氫排列的其他材料開始超導，但是僅在非常高的壓力下才開始。

研究團隊包括來自Empa研究所(瑞士聯(lián)邦材料科學與技術(shù)實驗室)，蘇黎世大學，波蘭科學院，伊利諾伊大學芝加哥和ORNL的科學家。

“一些最有前途的'高溫'超導體，例如十氫化鑭，可以在華氏8.0度左右開始超導，但不幸的是，它還需要高達每平方英寸2200萬磅的巨大壓力，是施加壓力的近1400倍。伊利諾伊大學芝加哥分校自然科學教授兼杰出教授拉塞爾·J·赫姆利(Russell J. Hemley)說：“地球最深處的最深處被水淹沒了。” “幾十年來，科學家的'圣杯'一直是尋找或制造在室溫和大氣壓下超導的材料，這將使工程師能夠?qū)⑵湓O(shè)計為常規(guī)的電氣系統(tǒng)和設(shè)備。我們希望可以定制廉價，穩(wěn)定的金屬，例如氫化鋯釩，以提供這種超導材料。”

研究人員在ORNL散裂中子源的VISION射線線上用高分辨率的非彈性中子振動光譜學研究了經(jīng)過充分研究的金屬氫化物中的氫相互作用。但是，所得到的光譜信號，包括一個約50毫伏的突出峰，與模型預測的結(jié)果不一致。

在團隊開始與Oak Ridge領(lǐng)導力計算設(shè)施一起開發(fā)用于評估數(shù)據(jù)的策略之后，理解上的突破發(fā)生了。當時的OLCF是Titan(世界上最快的超級計算機之一)的所在地，Titan是Cray XK7系統(tǒng)，其運行速度高達27 petaflops(每秒27千萬次浮點運算)。

“ ORNL是世界上唯一擁有世界領(lǐng)先的中子源和世界上最快的超級計算機之一的地方，” ORNL化學光譜團隊負責人Timmy Ramirez-Cuesta說。結(jié)合這些設(shè)施的功能，我們可以匯編中子光譜數(shù)據(jù)，并設(shè)計一種方法來計算遇到的異常信號的起源。它完成了3200個獨立模擬的合計，這項艱巨的任務在近一周的時間里占據(jù)了Titan巨大處理能力的17%左右，而傳統(tǒng)計算機則需要十到二十年才能完成。”

這些計算機模擬以及其他實驗提供了替代解釋，最終證明了僅當氫原子之間的距離小于2.0埃時才會出現(xiàn)意想不到的光譜強度，而氫原子在環(huán)境壓力和溫度下在金屬氫化物中從未觀察到。研究小組的發(fā)現(xiàn)代表了雙金屬合金中Switendick標準的第一個已知例外，該規(guī)則適用于在環(huán)境溫度和壓力下穩(wěn)定氫化物的情況下，氫與氫的距離不得小于2.1埃。

“一個重要的問題是觀察到的效果是否僅限于氫化釩釩”，Empa氫光譜學小組負責人Andreas Borgschulte說。“我們對材料的計算(不包括Switendick極限)能夠重現(xiàn)該峰，從而支持了這樣的觀念，即在氫化釩中，確實發(fā)生了距離小于2.1埃的氫氫對。”

在未來的實驗中，研究人員計劃在各種壓力下向氫化鋯釩氫化物中添加更多的氫，以評估該材料的電導率。ORNL的Summit超級計算機(200 petaflops的速度是Titan的7倍以上)，自2018年6月以來一直位居全球最快計算機系統(tǒng)的半年度TOP500榜首，它可以提供所需的額外計算能力。分析這些新實驗。