Een internationaal team van onderzoekers heeft ontdekt dat de waterstofatomen in een metaalhydridemateriaal veel dichter bij elkaar liggen dan decennialang werd voorspeld - een functie die mogelijk supergeleiding mogelijk zou maken bij of nabij kamertemperatuur en druk.

Zo'n supergeleidend materiaal, stroom voeren zonder energieverlies door weerstand, zou een revolutie teweegbrengen in de energie-efficiëntie in een breed scala van consumenten- en industriële toepassingen.

De wetenschappers voerden neutronenverstrooiingsexperimenten uit in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy op monsters van zirkoniumvanadiumhydride bij atmosferische druk en bij temperaturen van -450 graden Fahrenheit (5 K) tot wel -10 graden Fahrenheit (250 K) - veel hoger zijn dan de temperaturen waarbij onder deze omstandigheden supergeleiding wordt verwacht.

Hun bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , detail de eerste waarnemingen van zulke kleine waterstof-waterstof atomaire afstanden in het metaalhydride, zo klein als 1,6 angstrom, vergeleken met de afstanden van 2,1 angstrom die voor deze metalen zijn voorspeld.

Deze interatomaire rangschikking is opmerkelijk veelbelovend omdat de waterstof in metalen hun elektronische eigenschappen beïnvloedt. Er is gevonden dat andere materialen met vergelijkbare waterstofarrangementen supergeleidend beginnen te worden, maar alleen bij zeer hoge drukken.

Het onderzoeksteam bestond uit wetenschappers van het onderzoeksinstituut Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology), de Universiteit van Zürich, Poolse Academie van Wetenschappen, de Universiteit van Illinois in Chicago, en ORNL.

"Enkele van de meest veelbelovende 'hoge temperatuur' supergeleiders, zoals lanthaandecahydride, kan supergeleidend beginnen bij ongeveer 8,0 graden Fahrenheit, maar helaas ook een enorme druk nodig van wel 22 miljoen pond per vierkante inch, of bijna 1, 400 keer de druk die wordt uitgeoefend door water in het diepste deel van de diepste oceaan van de aarde, " zei Russell J. Hemley, Professor en Distinguished Chair in de Natuurwetenschappen aan de Universiteit van Illinois in Chicago. "Al decenia, de 'heilige graal' voor wetenschappers was het vinden of maken van een materiaal dat supergeleidend is bij kamertemperatuur en atmosferische druk, waarmee ingenieurs het kunnen ontwerpen in conventionele elektrische systemen en apparaten. We hopen dat een goedkope, stabiel metaal zoals zirkonium-vanadiumhydride kan worden aangepast om zo'n supergeleidend materiaal te leveren."

Onderzoekers hadden de waterstofinteracties in het goed bestudeerde metaalhydride onderzocht met een hoge resolutie, inelastische neutronenvibratiespectroscopie op de VISION-bundellijn bij ORNL's Spallation Neutron Source. Echter, het resulterende spectrale signaal, inclusief een prominente piek van ongeveer 50 milli-elektronvolt, was het niet eens met wat de modellen voorspelden.

De doorbraak in begrip vond plaats nadat het team begon te werken met de Oak Ridge Leadership Computing Facility om een ​​strategie te ontwikkelen voor het evalueren van de gegevens. De OLCF was destijds de thuisbasis van Titan, een van 's werelds snelste supercomputers, een Cray XK7-systeem dat werkte met snelheden tot 27 petaflops (27 quadriljoen drijvende-kommabewerkingen per seconde).

"ORNL is de enige plaats ter wereld met zowel een toonaangevende neutronenbron als een van 's werelds snelste supercomputers, " zei Timmy Ramirez-Cuesta, teamleider voor het chemische spectroscopieteam van ORNL. "Door de mogelijkheden van deze faciliteiten te combineren, konden we de neutronenspectroscopiegegevens verzamelen en een manier bedenken om de oorsprong te berekenen van het afwijkende signaal dat we tegenkwamen. Er was een ensemble van 3, 200 individuele simulaties, een enorme taak die bijna een week lang ongeveer 17% van Titan's immense verwerkingscapaciteit in beslag nam - iets wat een conventionele computer tien tot twintig jaar zou hebben gekost."

Deze computersimulaties, samen met aanvullende experimenten die alternatieve verklaringen uitsluiten, onomstotelijk bewezen dat de onverwachte spectrale intensiteit alleen optreedt wanneer de afstanden tussen waterstofatomen kleiner zijn dan 2,0 angstrom, die nog nooit was waargenomen in een metaalhydride bij omgevingsdruk en temperatuur. De bevindingen van het team vormen de eerste bekende uitzondering op het Switendick-criterium in een bimetaallegering, een regel die geldt voor stabiele hydriden bij omgevingstemperatuur en -druk is de waterstof-waterstofafstand nooit minder dan 2,1 angstrom.

"Een belangrijke vraag is of het waargenomen effect specifiek beperkt is tot zirkoniumvanadiumhydride, " zei Andreas Borgschulte, groepsleider waterstofspectroscopie bij Empa. "Onze berekeningen voor het materiaal - zonder de Switendick-limiet - waren in staat om de piek te reproduceren, ondersteunen van het idee dat in vanadiumhydride, waterstof-waterstofparen met afstanden van minder dan 2,1 angstrom komen voor."

In toekomstige experimenten, de onderzoekers zijn van plan meer waterstof toe te voegen aan zirkoniumvanadiumhydride bij verschillende drukken om het potentieel van het materiaal voor elektrische geleidbaarheid te evalueren. ORNL's Summit-supercomputer - die met 200 petaflops meer dan 7 keer sneller is dan Titan en sinds juni 2018 nummer 1 is op de TOP500-lijst, een halfjaarlijkse ranglijst van 's werelds snelste computersystemen - zou de extra rekenkracht kunnen bieden die nodig is om deze nieuwe experimenten te analyseren.