Такой сверхпроводящий материал, переносящий электричество без потерь энергии из-за сопротивления, революционизировал бы энергоэффективность в широком диапазоне потребительских и промышленных приложений.
Ученые провели эксперименты по рассеянию нейтронов в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики на образцах гидрида циркония и ванадия при атмосферном давлении и температурах от -450 градусов по Фаренгейту (5 К) до -10 градусов по Фаренгейту (250 К). намного выше, чем температуры, при которых ожидается сверхпроводимость в этих условиях.
Их выводы, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, подробно описывают первые наблюдения таких малых атомных расстояний водород-водород в металлогидриде, всего 1.6 ангстрем, по сравнению с 2.Расстояния в 1 ангстрем, предсказанные для этих металлов.
Такое межатомное расположение очень многообещающе, поскольку водород, содержащийся в металлах, влияет на их электронные свойства. Было обнаружено, что другие материалы с аналогичным расположением водорода начинают сверхпроводить, но только при очень высоких давлениях.
В исследовательскую группу вошли ученые из исследовательского института Empa (Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий), Цюрихского университета, Польской академии наук, Иллинойского университета в Чикаго и ORNL.
«Некоторые из наиболее многообещающих« высокотемпературных »сверхпроводников, такие как декагидрид лантана, могут стать сверхпроводниками примерно при 8.0 градусов по Фаренгейту, но, к сожалению, также требует огромного давления до 22 миллионов фунтов на квадратный дюйм, что почти в 1400 раз превышает давление, оказываемое водой в самой глубокой части самого глубокого океана Земли », – сказал Рассел Дж.
Хемли, профессор и заслуженный председатель естественных наук Университета Иллинойса в Чикаго. «На протяжении десятилетий« святым Граалем »для ученых было найти или создать материал, который сверхпроводит при комнатной температуре и атмосферном давлении, что позволило бы инженерам встраивать его в обычные электрические системы и устройства. Мы надеемся, что недорогой и стабильный металл, такой как гидрид циркония и ванадия, может быть адаптирован для получения именно такого сверхпроводящего материала."
Исследователи исследовали взаимодействия водорода в хорошо изученном металлогидриде с помощью неупругой нейтронно-колебательной спектроскопии высокого разрешения на канале VISION на источнике нейтронов расщепления ORNL. Однако результирующий спектральный сигнал, включая заметный пик на уровне около 50 миллиэлектронвольт, не соответствовал тому, что предсказывали модели.
Прорыв в понимании произошел после того, как команда начала работать с Oak Ridge Leadership Computing Facility над разработкой стратегии оценки данных. OLCF в то время был домом для Titan, одного из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, системы Cray XK7, которая работала со скоростью до 27 петафлопс (27 квадриллионов операций с плавающей запятой в секунду).
«ORNL – единственное место в мире, которое может похвастаться как ведущим в мире источником нейтронов, так и одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире», – сказал Тимми Рамирес-Куэста, руководитель группы химической спектроскопии ORNL. «Объединение возможностей этих установок позволило нам собрать данные нейтронной спектроскопии и разработать способ вычисления происхождения аномального сигнала, с которым мы столкнулись. Потребовалось ансамбль из 3200 отдельных симуляций – масштабная задача, которая занимала около 17% огромных вычислительных мощностей Titan в течение почти недели – на что обычному компьютеру потребовалось бы от десяти до двадцати лет."
Это компьютерное моделирование, наряду с дополнительными экспериментами, исключающими альтернативные объяснения, убедительно доказало, что неожиданная спектральная интенсивность возникает только тогда, когда расстояния между атомами водорода меньше 2.0 ангстрем, которые никогда не наблюдались в металлогидриде при атмосферном давлении и температуре.
Выводы группы представляют собой первое известное исключение из критерия Свитендика для биметаллического сплава, правила, которое справедливо для стабильных гидридов при температуре и давлении окружающей среды: расстояние водород-водород никогда не меньше 2.1 ангстрем.
«Важный вопрос заключается в том, ограничен ли наблюдаемый эффект конкретно гидридом циркония и ванадия», – сказал Андреас Боргшульте, руководитель группы по водородной спектроскопии в Empa. «Наши расчеты для материала – без учета предела Свитендика – позволили воспроизвести пик, подтверждая предположение, что в гидриде ванадия пары водород-водород с расстояниями меньше 2.1 ангстрем случается."
В будущих экспериментах исследователи планируют добавить больше водорода в гидрид циркония-ванадия при различных давлениях, чтобы оценить потенциал материала для электропроводности. Суперкомпьютер ORNL Summit – который на скорости 200 петафлопс более чем в 7 раз быстрее, чем Titan, и с июня 2018 года не работает.
1 в списке TOP500, полугодовом рейтинге самых быстрых вычислительных систем в мире, может обеспечить дополнительную вычислительную мощность, которая потребуется для анализа этих новых экспериментов.