紧密分布的氢原子可以促进环境条件下的超导性

导读一个国际研究小组发现,金属氢化物材料中的氢原子比几十年前预测的更接近,这可能会促进室温或接近室温时的超导性。这种超导材料可以传输电

一个国际研究小组发现,金属氢化物材料中的氢原子比几十年前预测的更接近,这可能会促进室温或接近室温时的超导性。

这种超导材料可以传输电能,而没有任何由电阻引起的能量损失,从而在广泛的消费和工业应用中完全改变能量效率。

科学家在能源部橡树岭国家实验室进行了中子散射实验,研究了常压下-450华氏度(5 K)至-10华氏度(250 K)的氢化钒酸锆样品。高于在这种条件下超导的预期温度。

他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》,详细描述了首次观测到如此小的氢氢原子距离(最初为1.6埃,但这些金属的预测值为2.1埃)。

因为金属中的氢会影响其电子性质,这种原子间的排列很有前景。已经发现,具有类似氢排列的其他材料开始超导,但只是在非常高的压力下。

研究团队包括来自Empa研究所(瑞士联邦材料科学与技术实验室)、苏黎士大学、波兰科学院、伊利诺伊大学、芝加哥大学和ORNL大学的科学家。

“一些最有希望的‘高温’超导体,如十氢化镧,可以在大约8.0华氏度时开始超导,但不幸的是,它仍然需要高达2200万磅每平方英寸的巨大压力,这是施加压力的近1400倍。自然科学教授、伊利诺伊大学芝加哥分校特聘教授拉塞尔j赫姆利(Russell J. Hemley)说:“地球最深处被洪水淹没了。”“几十年来,科学家的圣杯一直在寻找或制造室温和大气压下的超导材料,这将使工程师能够将它们设计成常规的电气系统和设备。我们希望可以定制便宜稳定的金属,比如氢化锆钒,来提供这种超导材料。"

研究人员利用高分辨率非弹性中子振动谱研究了ORNL散裂中子源视觉射线上金属氢化物中的氢相互作用。然而,所获得的光谱信号,包括大约50 mV的突出峰值,与模型的预测结果不一致。

在团队开始与橡树岭领导计算设施合作开发评估数据的策略后,理解出现了突破。当时OLCF是Titan(世界上最快的超级计算机之一)的主场,它就是Cray XK7系统,运行速度高达27pb flops(每秒2.7亿次浮点运算)。

“ORNL是世界上唯一拥有世界领先中子源的地方,也是世界上最快的超级计算机之一,”ORNL化学光谱学团队负责人蒂米拉米雷斯-单面山说。结合这些设施的功能,我们可以编译中子谱数据,并设计一种方法来计算遇到的异常信号的来源。它总共完成了3200次独立模拟。这项艰巨的任务在过去的一周内占据了泰坦巨大处理能力的17%左右,而传统计算机需要十到二十年才能完成。"

这些计算机模拟和其他实验提供了可供选择的解释,并最终证明,只有当氢原子之间的距离小于2.0埃时,才会出现意想不到的光谱强度,而在环境压力和温度下,金属氢化物中从未观察到氢原子。研究小组的发现代表了双金属合金中Switendick标准的第一个已知例外,该标准适用于环境温度和压力下的稳定氢化物,氢和氢之间的距离不应小于2.1埃。

Empa氢光谱团队负责人Andreas Borgschulte说:“一个重要的问题是,观察到的效应是否仅限于氢化钒。“我们对材料的计算(不包括Switendick极限)可以重现这个峰,这支持了氢-氢对的距离小于2.1埃确实存在于氢化钒中的观点。”

在未来的实验中,研究人员计划在各种压力下向氢化锆钒中添加更多的氢,以评估这种材料的导电性。自2018年6月以来,ORNL的Summit超级计算机(200 petaflops的速度是Titan的7倍多)在半年一度的全球最快计算机系统TOP500中排名第一,它可以提供所需的额外计算能力。分析这些新实验。

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