Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que los átomos de hidrógeno en un material de hidruro metálico están mucho más espaciados de lo que se había predicho durante décadas, una característica que posiblemente podría facilitar la superconductividad en o cerca de la temperatura y presión ambiente.

Tal material superconductor, llevar electricidad sin pérdida de energía debido a la resistencia, revolucionaría la eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones industriales y de consumo.

Los científicos llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía en muestras de hidruro de zirconio vanadio a presión atmosférica y a temperaturas de -450 grados Fahrenheit (5 K) hasta -10 grados Fahrenheit (250 K), mucho más altas que las temperaturas donde se espera que ocurra superconductividad en estas condiciones.

Sus hallazgos, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , detallar las primeras observaciones de distancias atómicas hidrógeno-hidrógeno tan pequeñas en el hidruro metálico, tan pequeño como 1,6 angstroms, en comparación con las distancias de 2,1 angstrom previstas para estos metales.

Esta disposición interatómica es notablemente prometedora, ya que el hidrógeno contenido en los metales afecta sus propiedades electrónicas. Se ha descubierto que otros materiales con disposiciones de hidrógeno similares comienzan a superconducirse, pero solo a presiones muy altas.

El equipo de investigación incluyó a científicos del instituto de investigación Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales), la Universidad de Zurich, Academia de Ciencias de Polonia, la Universidad de Illinois en Chicago, y ORNL.

"Algunos de los superconductores de 'alta temperatura' más prometedores, como decahidruro de lantano, puede comenzar a superconducir a aproximadamente 8.0 grados Fahrenheit, pero desafortunadamente también requieren enormes presiones de hasta 22 millones de libras por pulgada cuadrada, o casi 1, 400 veces la presión ejercida por el agua en la parte más profunda del océano más profundo de la Tierra, "dijo Russell J. Hemley, Profesor y Catedrático Distinguido de Ciencias Naturales en la Universidad de Illinois en Chicago. "Por décadas, el 'santo grial' para los científicos ha sido encontrar o fabricar un material que se superconduzca a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo que permitiría a los ingenieros diseñarlo en sistemas y dispositivos eléctricos convencionales. Tenemos la esperanza de que un económico un metal estable como el hidruro de circonio y vanadio se puede adaptar para proporcionar tal material superconductor ".

Los investigadores habían probado las interacciones de hidrógeno en el hidruro metálico bien estudiado con alta resolución, espectroscopía vibratoria de neutrones inelásticos en la línea de luz VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL. Sin embargo, la señal espectral resultante, incluyendo un pico prominente en alrededor de 50 milielectronvoltios, no estuvo de acuerdo con lo que predijeron los modelos.

El gran avance en la comprensión se produjo después de que el equipo comenzó a trabajar con Oak Ridge Leadership Computing Facility para desarrollar una estrategia para evaluar los datos. El OLCF en ese momento era el hogar de Titán, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, un sistema Cray XK7 que operaba a velocidades de hasta 27 petaflops (27 cuatrillones de operaciones de punto flotante por segundo).

"ORNL es el único lugar del mundo que cuenta con una fuente de neutrones líder en el mundo y una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, "dijo Timmy Ramirez-Cuesta, líder del equipo de espectroscopía química de ORNL. "La combinación de las capacidades de estas instalaciones nos permitió compilar los datos de la espectroscopía de neutrones y diseñar una forma de calcular el origen de la señal anómala que encontramos. Se necesitó un conjunto de 3, 200 simulaciones individuales, una tarea masiva que ocupó alrededor del 17% de la inmensa capacidad de procesamiento de Titán durante casi una semana, algo que una computadora convencional habría requerido de diez a veinte años para hacer ".

Estas simulaciones por computadora, junto con experimentos adicionales que descartan explicaciones alternativas, demostró de manera concluyente que la intensidad espectral inesperada ocurre solo cuando las distancias entre los átomos de hidrógeno están más cerca de 2.0 angstroms, que nunca se había observado en un hidruro metálico a presión y temperatura ambiente. Los hallazgos del equipo representan la primera excepción conocida al criterio Switendick en una aleación bimetálica, Una regla que se aplica a los hidruros estables a temperatura y presión ambiente, la distancia hidrógeno-hidrógeno nunca es inferior a 2,1 angstroms.

"Una pregunta importante es si el efecto observado se limita específicamente al hidruro de zirconio vanadio, "dijo Andreas Borgschulte, líder del grupo de espectroscopía de hidrógeno en Empa. "Nuestros cálculos para el material, al excluir el límite de Switendick, pudieron reproducir el pico, apoyando la noción de que en el hidruro de vanadio, Se producen pares hidrógeno-hidrógeno con distancias inferiores a 2,1 angstroms ".

En experimentos futuros, Los investigadores planean agregar más hidrógeno al hidruro de circonio vanadio a varias presiones para evaluar el potencial del material para la conductividad eléctrica. La supercomputadora Summit de ORNL, que con 200 petaflops es más de 7 veces más rápida que Titán y desde junio de 2018 ha sido la número 1 en la lista TOP500, una clasificación semestral de los sistemas informáticos más rápidos del mundo, podría proporcionar la potencia informática adicional necesaria para analizar estos nuevos experimentos.