Un team internazionale di ricercatori ha scoperto che gli atomi di idrogeno in un materiale di idruro metallico sono molto più ravvicinati di quanto previsto da decenni, una caratteristica che potrebbe facilitare la superconduttività a temperatura e pressione ambiente o vicine.

Un tale materiale superconduttore, trasportare elettricità senza alcuna perdita di energia dovuta alla resistenza, rivoluzionerebbe l'efficienza energetica in un'ampia gamma di applicazioni industriali e di consumo.

Gli scienziati hanno condotto esperimenti di diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia su campioni di idruro di zirconio vanadio a pressione atmosferica e a temperature da -450 gradi Fahrenheit (5 K) fino a -10 gradi Fahrenheit (250 K), molto superiori alle temperature in cui si prevede che si verifichi la superconduttività in queste condizioni.

Le loro scoperte, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , dettaglio le prime osservazioni di tali piccole distanze atomiche idrogeno-idrogeno nell'idruro metallico, fino a 1,6 angstrom, rispetto alle distanze di 2,1 angstrom previste per questi metalli.

Questa disposizione interatomica è notevolmente promettente poiché l'idrogeno contenuto nei metalli influisce sulle loro proprietà elettroniche. È stato scoperto che altri materiali con disposizioni simili all'idrogeno iniziano a diventare superconduttori, ma solo a pressioni molto elevate.

Il team di ricerca comprendeva scienziati dell'istituto di ricerca Empa (Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali), l'Università di Zurigo, Accademia polacca delle scienze, l'Università dell'Illinois a Chicago, e ORNL.

"Alcuni dei più promettenti superconduttori ad alta temperatura, come il decaidruro di lantanio, può iniziare a supercondurre a circa 8,0 gradi Fahrenheit, ma sfortunatamente richiedono anche enormi pressioni fino a 22 milioni di libbre per pollice quadrato, o quasi 1, 400 volte la pressione esercitata dall'acqua nella parte più profonda dell'oceano più profondo della Terra, " ha detto Russell J. Hemley, Professore e Distinguished Chair in Scienze Naturali presso l'Università dell'Illinois a Chicago. "Per decenni, il "Santo Graal" per gli scienziati è stato quello di trovare o realizzare un materiale che superconduce a temperatura ambiente e pressione atmosferica, che consentirebbe agli ingegneri di progettarlo in sistemi e dispositivi elettrici convenzionali. Siamo fiduciosi che un poco costoso, un metallo stabile come l'idruro di zirconio vanadio può essere adattato per fornire proprio un tale materiale superconduttore".

I ricercatori avevano sondato le interazioni dell'idrogeno nell'idruro metallico ben studiato con alta risoluzione, spettroscopia vibrazionale di neutroni anelastici sulla linea di luce VISION presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL. Però, il segnale spettrale risultante, compreso un picco prominente a circa 50 millielettronvolt, non era d'accordo con quanto previsto dai modelli.

La svolta nella comprensione è avvenuta dopo che il team ha iniziato a lavorare con l'Oak Ridge Leadership Computing Facility per sviluppare una strategia per la valutazione dei dati. L'OLCF all'epoca ospitava Titan, uno dei supercomputer più veloci del mondo, un sistema Cray XK7 che operava a velocità fino a 27 petaflop (27 quadrilioni di operazioni in virgola mobile al secondo).

"ORNL è l'unico posto al mondo che vanta sia una sorgente di neutroni leader a livello mondiale che uno dei supercomputer più veloci del mondo, " ha detto Timmy Ramirez-Cuesta, capo squadra per il team di spettroscopia chimica dell'ORNL. "La combinazione delle capacità di queste strutture ci ha permesso di compilare i dati della spettroscopia di neutroni e ideare un modo per calcolare l'origine del segnale anomalo che abbiamo incontrato. Ci sono voluti un insieme di 3, 200 simulazioni individuali, un compito enorme che ha occupato circa il 17% dell'immensa capacità di elaborazione di Titan per quasi una settimana, qualcosa che un computer convenzionale avrebbe richiesto da dieci a vent'anni per essere realizzato".

Queste simulazioni al computer, insieme a ulteriori esperimenti che escludono spiegazioni alternative, dimostrato in modo conclusivo che l'intensità spettrale inaspettata si verifica solo quando le distanze tra gli atomi di idrogeno sono inferiori a 2.0 angstrom, che non era mai stato osservato in un idruro metallico a pressione e temperatura ambiente. I risultati del team rappresentano la prima eccezione nota al criterio di Switendick in una lega bimetallica, una regola che vale per idruri stabili a temperatura e pressione ambiente la distanza idrogeno-idrogeno non è mai inferiore a 2,1 angstrom.

"Una domanda importante è se l'effetto osservato sia limitato o meno specificamente all'idruro di zirconio vanadio, " ha detto Andreas Borgschulte, capogruppo per la spettroscopia dell'idrogeno all'Empa. "I nostri calcoli per il materiale, escludendo il limite di Switendick, sono stati in grado di riprodurre il picco, sostenendo l'idea che nell'idruro di vanadio, si verificano coppie idrogeno-idrogeno con distanze inferiori a 2,1 angstrom".

In esperimenti futuri, i ricercatori hanno in programma di aggiungere più idrogeno all'idruro di zirconio vanadio a varie pressioni per valutare il potenziale del materiale per la conduttività elettrica. Il supercomputer Summit di ORNL, che a 200 petaflop è oltre 7 volte più veloce di Titan e da giugno 2018 è stato il numero 1 nella lista TOP500, una classifica semestrale dei sistemi informatici più veloci del mondo potrebbe fornire la potenza di calcolo aggiuntiva necessaria per analizzare questi nuovi esperimenti.