橡树岭国家实验室的室温超导体突破

时间:2020-02-10 18:29 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

橡树岭国家实验室的室温超导体突破

在环境条件下,紧密间隔的氢原子可以促进超导性

一个国际研究小组发现,金属氢化物材料中的氢原子间隔比几十年来所预测的要紧密得多。这一特性可能有助于在室温或接近室温和常压下的超导性。

这样一种超导材料,在输送电能时不会因为电阻而造成任何能量损失,将在广泛的消费和工业应用中彻底改变能源效率。

科学家们在美国能源部的橡树岭国家实验室进行了中子散射实验,在大气压下和温度从-450华氏度(5 K)到-10华氏度(250 K) -的锆钒氢化物样品上进行了中子散射实验比高温下的超导性要高得多。

他们的发现发表在2020年2月6日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,详细描述了首次在金属氢化物中观察到的如此小的氢-氢原子距离,最小只有1.6埃,而这些金属的原子距离预计为2.1埃。

这种原子间的排列很有希望,因为金属中所含的氢会影响它们的电子性质。人们发现,其他具有类似氢结构的材料也能启动超导,但只能在非常高的压力下进行。

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、芝加哥伊利诺伊大学和ORNL的科学家。

“一些最有前途的‘高温’像十氢化镧这样的超导体可以在大约8华氏度的温度下开始超导,但不幸的是,它也需要高达每平方英寸2200万磅的巨大压力,这几乎是地球最深处海洋深处水所施加压力的1400倍。伊利诺斯大学芝加哥分校自然科学教授和杰出主席Russell J. Hemley说。“几十年来,‘圣杯’科学家们一直在寻找或制造一种能在室温和大气压下进行超导的材料,这样工程师们就能把它设计成传统的电气系统和设备。我们希望像锆钒氢化物这样便宜、稳定的金属可以被量身定做,提供这样的超导材料。”

研究人员用高分辨率非弹性中子振动光谱法在ORNL的散裂中子源的视觉光谱线上探测了研究充分的金属氢化物中氢的相互作用。然而,得到的光谱信号,包括一个约50毫电子伏特的突出峰值,与模型预测的结果不一致。

在理解上的突破发生在团队开始与橡树岭领导计算设施合作开发评估数据的策略之后。当时的OLCF是世界上最快的超级计算机之一泰坦的所在地,它是一个克雷XK7系统,运行速度可达每秒27千万亿次浮点运算(每秒27千万亿次浮点运算)。

“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化学光谱学小组组长Timmy Ramirez-Cuesta说。“结合这些设备的能力,我们可以汇编中子谱数据,并设计出一种方法来计算我们遇到的异常信号的来源。它总共进行了3200次模拟,这是一项巨大的任务,在将近一个星期的时间里,它占据了泰坦巨大处理能力的17%这是一台传统电脑需要10到20年才能完成的工作。”

这些计算机模拟,以及排除了其他解释的附加实验,最终证明了只有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,而这在常温常压下的金属氢化物中从未观察到过。该研究小组的发现代表了双金属合金中已知的第一个例外情况,即双金属合金在环境温度和压力下氢化物稳定时,氢氧之间的距离不小于2.1埃。

“一个重要的问题是,所观察到的效应是否仅限于氢化锆钒,”Empa氢光谱学小组组长Andreas Borgschulte说。“我们对材料的计算——当排除扳道工极限时我们能够重现峰值,支持了这样的观点,即在氢氧化钒中,氢与氢之间的距离低于2.1埃。”

在未来的实验中,研究人员计划在不同压力下向锆钒氢化物中添加更多的氢,以评估材料的电导率潜力。ORNL的顶峰超级计算机其每秒200千万亿次的运算速度是泰坦的7倍多。自2018年6月以来,它一直是世界500强的第一名。可以提供分析这些新实验所需的额外计算能力。

参考文献:“金属氢化物中H-H异常距离的非弹性中子散射证据”由Andreas Borgschulte茉莉花Terreni,伊曼纽尔钢坯,卢克德门,Yongqiang Cheng Anup Pandey,兹比格涅夫?& # 321;odziana,拉塞尔·j·Hemley和Anibal j . Ramirez-Cuesta 6 2020年2月,美国国家科学院院刊》上。

DOI: 10.1073 / pnas.1912900117

该研究得到了能源部科学办公室和国家核安全局、国家科学基金会、卢瑟福·阿普尔顿实验室、Empa、瑞士国家科学基金会、苏黎世大学和波兰华沙国家研究与发展中心的支持。oClimax中子数据软件是ORNL实验室研发计划资助的“冰人”项目的一部分,用于分析和解释非弹性中子散射光谱。

SNS和OLCF是能源部科学用户设施办公室。ORNL由UT-Battelle LLC为美国能源部科学办公室管理,后者是美国物理科学基础研究的最大支持者。能源部的科学办公室正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

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