緊密分布的氫原子可促進(jìn)環(huán)境條件下的超導(dǎo)

一個(gè)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(yù)測(cè)緊密得多，這一特征可能會(huì)促進(jìn)在室溫或室溫或接近室溫的超導(dǎo)性。

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

科學(xué)家在能源部的橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了中子散射實(shí)驗(yàn)，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(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生超導(dǎo)的溫度。

他們的發(fā)現(xiàn) 發(fā)表在 《 科學(xué)院院刊》上， 詳細(xì)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(duì)于這些金屬的預(yù)測(cè)值為2.1埃)的首次觀察。

由于金屬中所含的氫會(huì)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(dǎo)，但是僅在非常高的壓力下才開始。

研究團(tuán)隊(duì)包括來自Empa研究所(瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室)，蘇黎世大學(xué)，波蘭科學(xué)院，伊利諾伊大學(xué)芝加哥和ORNL的科學(xué)家。

“一些最有前途的'高溫'超導(dǎo)體，例如十氫化鑭，可以在華氏8.0度左右開始超導(dǎo)，但不幸的是，它還需要高達(dá)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(xué)芝加哥分校自然科學(xué)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(xué)家的'圣杯'一直是尋找或制造在室溫和大氣壓下超導(dǎo)的材料，這將使工程師能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)為常規(guī)的電氣系統(tǒng)和設(shè)備。我們希望可以定制廉價(jià)，穩(wěn)定的金屬，例如氫化鋯釩，以提供這種超導(dǎo)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(dòng)光譜學(xué)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(hào)，包括一個(gè)約50毫伏的突出峰，與模型預(yù)測(cè)的結(jié)果不一致。

在團(tuán)隊(duì)開始與Oak Ridge領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施一起開發(fā)用于評(píng)估數(shù)據(jù)的策略之后，理解上的突破發(fā)生了。當(dāng)時(shí)的OLCF是Titan(世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一)的所在地，Titan是Cray XK7系統(tǒng)，其運(yùn)行速度高達(dá)27 petaflops(每秒27千萬次浮點(diǎn)運(yùn)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(jí)計(jì)算機(jī)之一的地方，” ORNL化學(xué)光譜團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(jì)一種方法來計(jì)算遇到的異常信號(hào)的起源。它完成了3200個(gè)獨(dú)立模擬的合計(jì)，這項(xiàng)艱巨的任務(wù)在近一周的時(shí)間里占據(jù)了Titan巨大處理能力的17%左右，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則需要十到二十年才能完成。”

這些計(jì)算機(jī)模擬以及其他實(shí)驗(yàn)提供了替代解釋，最終證明了僅當(dāng)氫原子之間的距離小于2.0埃時(shí)才會(huì)出現(xiàn)意想不到的光譜強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)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(gè)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(xué)小組負(fù)責(zé)人Andreas Borgschulte說。“我們對(duì)材料的計(jì)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(shí)發(fā)生了距離小于2.1埃的氫氫對(duì)。”

在未來的實(shí)驗(yàn)中，研究人員計(jì)劃在各種壓力下向氫化鋯釩氫化物中添加更多的氫，以評(píng)估該材料的電導(dǎo)率。ORNL的Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)(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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的半年度TOP500榜首，它可以提供所需的額外計(jì)算能力。分析這些新實(shí)驗(yàn)。