Ett internationellt team av forskare har upptäckt att väteatomerna i ett metallhydridmaterial är mycket mer åtskilda än vad som hade förutsetts i årtionden - en funktion som möjligen kan underlätta supraledning vid eller nära rumstemperatur och tryck.

Ett sådant supraledande material, bär elektricitet utan energiförlust på grund av motstånd, skulle revolutionera energieffektiviteten inom ett brett spektrum av konsument- och industriella tillämpningar.

Forskarna utförde neutronspridningsexperiment vid Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory på prover av zirkoniumvanadiumhydrid vid atmosfärstryck och vid temperaturer från -450 grader Fahrenheit (5 K) till så högt som -10 grader Fahrenheit (250 K) -mycket högre än de temperaturer där supraledning förväntas inträffa under dessa förhållanden.

Deras fynd, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , beskriv de första observationerna av sådana små väte-väteatomavstånd i metallhydriden, så liten som 1,6 ångström, jämfört med de 2,1 ångströmsavstånd som förutspås för dessa metaller.

Detta interatomiska arrangemang är anmärkningsvärt lovande eftersom vätet i metaller påverkar deras elektroniska egenskaper. Andra material med liknande väteanordningar har visat sig börja supraledande, men bara vid mycket höga tryck.

Forskargruppen omfattade forskare från forskningsinstitutet Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology), universitetet i Zürich, Polska vetenskapsakademien, University of Illinois i Chicago, och ORNL.

"Några av de mest lovande" högtemperatur "superledarna, såsom lantan dekahydrid, kan börja supraledning vid cirka 8,0 grader Fahrenheit, men kräver tyvärr också ett enormt tryck så högt som 22 miljoner pund per kvadrattum, eller nästan 1, 400 gånger det tryck som vatten utövar vid den djupaste delen av jordens djupaste hav, "sa Russell J. Hemley, Professor och framstående ordförande i naturvetenskap vid University of Illinois i Chicago. "I årtionden, 'den heliga gralen' för forskare har varit att hitta eller göra ett material som supraleder vid rumstemperatur och atmosfärstryck, vilket skulle göra det möjligt för ingenjörer att utforma den till konventionella elektriska system och enheter. Vi hoppas att en billig, stabil metall som zirkoniumvanadinhydrid kan skräddarsys för att ge just ett sådant supraledande material. "

Forskare hade undersökt väteinteraktioner i den välstuderade metallhydriden med högupplöst, oelastisk neutronsvibrationsspektroskopi på VISION -strållinjen vid ORNL:s Spallation Neutron Source. Dock, den resulterande spektralsignalen, inklusive en framstående topp på cirka 50 millielektronvolt, höll inte med om vad modellerna förutspådde.

Genombrottet i förståelsen inträffade efter att teamet började arbeta med Oak Ridge Leadership Computing Facility för att utveckla en strategi för utvärdering av data. OLCF var då hem för Titan, en av världens snabbaste superdatorer, ett Cray XK7 -system som fungerade med hastigheter upp till 27 petaflops (27 kvadrillion flytande drift per sekund).

"ORNL är det enda stället i världen som har både en världsledande neutronkälla och en av världens snabbaste superdatorer, "sa Timmy Ramirez-Cuesta, teamledare för ORNL:s kemiska spektroskopiteam. "Genom att kombinera dessa anläggningars möjligheter kunde vi sammanställa neutronspektroskopidata och ta fram ett sätt att beräkna ursprunget för den avvikande signalen vi stötte på. Det tog en ensemble på 3, 200 individuella simuleringar, en massiv uppgift som tog upp cirka 17% av Titans enorma bearbetningskapacitet i nästan en vecka - något som en konventionell dator skulle ha krävt tio till tjugo år att göra. "

Dessa datorsimuleringar, tillsammans med ytterligare experiment som utesluter alternativa förklaringar, bevisat slutgiltigt att den oväntade spektralintensiteten endast inträffar när avstånden mellan väteatomer är närmare än 2,0 ångström, som aldrig hade observerats i en metallhydrid vid omgivningstryck och temperatur. Teamets resultat representerar det första kända undantaget från Switendick -kriteriet i en bimetalllegering, en regel som gäller för stabila hydrider vid omgivningstemperatur och tryck är avståndet mellan väte och väte aldrig mindre än 2,1 ångström.

"En viktig fråga är om den observerade effekten är begränsad specifikt till zirkoniumvanadiumhydrid, "sa Andreas Borgschulte, gruppledare för vätespektroskopi på Empa. "Våra beräkningar för materialet - när vi utesluter Switendick -gränsen - kunde återge toppen, stöder tanken att i vanadinhydrid, väte-vätepar med avstånd under 2,1 ångström förekommer. "

I framtida experiment, forskarna planerar att tillsätta mer väte till zirkoniumvanadiumhydrid vid olika tryck för att utvärdera materialets potential för elektrisk konduktivitet. ORNL:s superdator Summit - som med 200 petaflops är över 7 gånger snabbare än Titan och sedan juni 2018 har varit nr 1 på TOP500 -listan, en halvårig rangordning av världens snabbaste datorsystem - skulle kunna ge den extra datorkraft som krävs för att analysera dessa nya experiment.