Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu que os átomos de hidrogênio em um material de hidreto de metal são muito mais espaçados do que havia sido previsto por décadas - uma característica que poderia facilitar a supercondutividade em temperatura e pressão ambiente ou próximo a ela.

Esse material supercondutor, transportando eletricidade sem qualquer perda de energia devido à resistência, revolucionaria a eficiência energética em uma ampla gama de aplicações industriais e de consumo.

Os cientistas realizaram experimentos de espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia em amostras de hidreto de zircônio vanádio à pressão atmosférica e em temperaturas de -450 graus Fahrenheit (5 K) a até -10 graus Fahrenheit (250 K) - muito mais altas do que as temperaturas em que se espera que a supercondutividade ocorra nessas condições.

Suas descobertas, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , detalhar as primeiras observações dessas pequenas distâncias atômicas de hidrogênio-hidrogênio no hidreto de metal, tão pequeno quanto 1,6 angstroms, em comparação com as distâncias de 2,1 angstrom previstas para esses metais.

Esse arranjo interatômico é notavelmente promissor, uma vez que o hidrogênio contido nos metais afeta suas propriedades eletrônicas. Outros materiais com arranjos de hidrogênio semelhantes foram encontrados para iniciar a supercondução, mas apenas em pressões muito altas.

A equipe de pesquisa incluiu cientistas do instituto de pesquisa Empa (Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais), a Universidade de Zurique, Academia Polonesa de Ciências, a Universidade de Illinois em Chicago, e ORNL.

"Alguns dos supercondutores de 'alta temperatura' mais promissores, como o decahidreto de lantânio, pode começar a superconduzir em cerca de 8,0 graus Fahrenheit, mas, infelizmente, também exigem enormes pressões de até 22 milhões de libras por polegada quadrada, ou quase 1, 400 vezes a pressão exercida pela água na parte mais profunda do oceano mais profundo da Terra, "disse Russell J. Hemley, Professor e distinto presidente em Ciências Naturais da Universidade de Illinois em Chicago. "Por décadas, o 'Santo Graal' para os cientistas tem sido encontrar ou fazer um material que superconduta à temperatura ambiente e à pressão atmosférica, que permitiria aos engenheiros projetá-lo em sistemas e dispositivos elétricos convencionais. Esperamos que um barato, metais estáveis, como hidreto de zircônio e vanádio, podem ser adaptados para fornecer exatamente esse material supercondutor. "

Os pesquisadores investigaram as interações do hidrogênio no hidreto de metal bem estudado com alta resolução, espectroscopia vibracional de nêutrons inelástica na linha de luz VISION na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL. Contudo, o sinal espectral resultante, incluindo um pico proeminente em cerca de 50 milieletronvolts, não concordou com o que os modelos previram.

O avanço no entendimento ocorreu depois que a equipe começou a trabalhar com o Oak Ridge Leadership Computing Facility para desenvolver uma estratégia para avaliar os dados. O OLCF na época era o lar de Titan, um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, um sistema Cray XK7 que operava em velocidades de até 27 petaflops (27 quatrilhões de operações de ponto flutuante por segundo).

"ORNL é o único lugar no mundo que possui uma fonte de nêutrons líder mundial e um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, "disse Timmy Ramirez-Cuesta, líder da equipe de espectroscopia química do ORNL. "A combinação dos recursos dessas instalações nos permitiu compilar os dados da espectroscopia de nêutrons e conceber uma maneira de calcular a origem do sinal anômalo que encontramos. Foi necessário um conjunto de 3, 200 simulações individuais, uma tarefa gigantesca que ocupou cerca de 17% da imensa capacidade de processamento da Titan por quase uma semana - algo que um computador convencional precisaria de dez a vinte anos para fazer. "

Essas simulações de computador, junto com experimentos adicionais que excluem explicações alternativas, provou conclusivamente que a intensidade espectral inesperada ocorre apenas quando as distâncias entre os átomos de hidrogênio são mais próximas do que 2,0 angstroms, que nunca tinha sido observada em um hidreto de metal à pressão e temperatura ambiente. As descobertas da equipe representam a primeira exceção conhecida ao critério de Switendick em uma liga bimetálica, uma regra que se aplica a hidretos estáveis ​​à temperatura e pressão ambientes, a distância hidrogênio-hidrogênio nunca é inferior a 2,1 angstroms.

"Uma questão importante é se o efeito observado é limitado especificamente ao hidreto de zircônio vanádio, "disse Andreas Borgschulte, líder do grupo de espectroscopia de hidrogênio da Empa. "Nossos cálculos para o material - ao excluir o limite de Switendick - foram capazes de reproduzir o pico, apoiando a noção de que no hidreto de vanádio, pares de hidrogênio-hidrogênio com distâncias abaixo de 2,1 angstroms ocorrem. "

Em experiências futuras, os pesquisadores planejam adicionar mais hidrogênio ao hidreto de zircônio vanádio em várias pressões para avaliar o potencial do material para a condutividade elétrica. Supercomputador Summit do ORNL - que com 200 petaflops é 7 vezes mais rápido que o Titan e desde junho de 2018 está em primeiro lugar na lista TOP500, uma classificação semestral dos sistemas de computação mais rápidos do mundo - poderia fornecer o poder de computação adicional que será necessário para analisar esses novos experimentos.