紧密分布的氢原子可促进环境条件下的超导

一个国际研究人员小组发现，金属氢化物材料中的氢原子比几十年来的预测紧密得多，这一特征可能会促进在室温或室温或接近室温的超导性。

这样的超导材料能够在不因电阻而导致任何能量损失的情况下输送电能，从而在广泛的消费和工业应用中彻底改变能源效率。

科学家在能源部的橡树岭国家实验室进行了中子散射实验，研究了大气压下-450华氏度(5 K)至-10华氏度(250 K)的温度下氢化钒酸锆样品。高于在这些条件下预计会发生超导的温度。

他们的发现 发表在 《 美国国家科学院院刊》上， 详细介绍了氢氢化物中如此小的氢-氢原子距离(最初为1.6埃，而对于这些金属的预测值为2.1埃)的首次观察。

由于金属中所含的氢会影响其电子性能，因此这种原子间排列非常有前途。已经发现具有类似氢排列的其他材料开始超导，但是仅在非常高的压力下才开始。

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)，苏黎世大学，波兰科学院，伊利诺伊大学芝加哥和ORNL的科学家。

“一些最有前途的'高温'超导体，例如十氢化镧，可以在华氏8.0度左右开始超导，但不幸的是，它还需要高达每平方英寸2200万磅的巨大压力，是施加压力的近1400倍。伊利诺伊大学芝加哥分校自然科学教授兼杰出教授拉塞尔·J·赫姆利(Russell J. Hemley)说：“地球最深处的最深处被水淹没了。” “几十年来，科学家的'圣杯'一直是寻找或制造在室温和大气压下超导的材料，这将使工程师能够将其设计为常规的电气系统和设备。我们希望可以定制廉价，稳定的金属，例如氢化锆钒，以提供这种超导材料。”

研究人员在ORNL散裂中子源的VISION射线线上用高分辨率的非弹性中子振动光谱学研究了经过充分研究的金属氢化物中的氢相互作用。但是，所得到的光谱信号，包括一个约50毫伏的突出峰，与模型预测的结果不一致。

在团队开始与Oak Ridge领导力计算设施一起开发用于评估数据的策略之后，理解上的突破发生了。当时的OLCF是Titan(世界上最快的超级计算机之一)的所在地，Titan是Cray XK7系统，其运行速度高达27 petaflops(每秒27千万次浮点运算)。

“ ORNL是世界上唯一拥有世界领先的中子源和世界上最快的超级计算机之一的地方，” ORNL化学光谱团队负责人Timmy Ramirez-Cuesta说。结合这些设施的功能，我们可以汇编中子光谱数据，并设计一种方法来计算遇到的异常信号的起源。它完成了3200个独立模拟的合计，这项艰巨的任务在近一周的时间里占据了Titan巨大处理能力的17%左右，而传统计算机则需要十到二十年才能完成。”

这些计算机模拟以及其他实验提供了替代解释，最终证明了仅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，而氢原子在环境压力和温度下在金属氢化物中从未观察到。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，该规则适用于在环境温度和压力下稳定氢化物的情况下，氢与氢的距离不得小于2.1埃。

“一个重要的问题是观察到的效果是否仅限于氢化钒钒”，Empa氢光谱学小组负责人Andreas Borgschulte说。“我们对材料的计算(不包括Switendick极限)能够重现该峰，从而支持了这样的观念，即在氢化钒中，确实发生了距离小于2.1埃的氢氢对。”

在未来的实验中，研究人员计划在各种压力下向氢化锆钒氢化物中添加更多的氢，以评估该材料的电导率。ORNL的Summit超级计算机(200 petaflops的速度是Titan的7倍以上)，自2018年6月以来一直位居全球最快计算机系统的半年度TOP500榜首，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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