Większa gęstość atomów wodoru w wodorkach metalu szansą na nadprzewodnictwo

Międzynarodowy zespół badaczy zaobserwował, że atomy wodoru w wodorkach metalu są znacznie gęściej upakowane niż dotychczas sądzono. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do  warunków pokojowych.

IFJ_PAN_wodorki_metali20-04-2020.jpg

Wizualizacja struktury atomowej wodorku cyrkonowo-wanadowego w warunkach zbliżonych do pokojowych. Została ona wyznaczona za pomocą neutronowej spektroskopii wibracyjnej i superkomputera Titan znajdującego się w Oak Ridge National Laboratory w USA. Sieć krystaliczna składa się z atomów wanadu (kolor złoty) i atomów cyrkonu (kolor biały) otaczających atomy wodoru (kolor czerwony). Trzy atomy wodoru połączone sprężyną oddziałują ze sobą na zaskakująco małych odległościach rzędu 1,6 angstrema. Tak bliskie odległości między atomami pozwalają upakować znacznie więcej wodoru w materiale, skutkiem czego można spodziewać się pojawienia nadprzewodnictwa. (Źródło: ORNL/Jill Hemman)

Co to oznacza?

Jak donoszą naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN tego typu materiały mogą zrewolucjonizować energetykę.  Można je bowiem wykorzystać do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją. Możliwe też, że w przyszłości inżynierowie wykorzystają nowe substancje do projektowania powszechnie stosowanych systemów i urządzeń elektrycznych, m.in. tomografów rezonansu magnetycznego.

Jak doszło do odkrycia?

Eksperymenty rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym prowadzono w Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL). Do rozpraszania zastosowano ciśnienie atmosferyczne w przedziale od –268 stopni Celsjusza (5 K) do –23 stopni Celsjusza (250 K) – czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu. Wyniki pomiarów nie zgadzały się z istniejącymi modelami.

Jeden z członków międzynarodowego zespołu, prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN zaproponował nowy model tego wodorku. Do obliczeń wykorzystano jeden z najpotężniejszych komputerów na świecie. Okazało się, że odległości wodorków w badanym materiale wynoszą 1,6 angstrema, tzn. są o 0,5 angstrema mniejsze niż pierwotnie przewidywano, a uzyskana struktura atomowa posiada niezwykle obiecujące właściwości.

W kolejnych doświadczeniach naukowcy planują wzbogacić wodorek cyrkonowo-wanadowy większą ilością wodoru pod różnymi ciśnieniami, aby ocenić potencjalne nadprzewodnictwo badanego materiału.

W prace międzynarodowego zespołu zaangażowane były następujące jednostki: szwajcarskie Laboratorium Badania Materiałów i Technologii (EMPA), Uniwersytet w Zurychu, Uniwersytet Illinois w Chicago ORNL oraz Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.

Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie PNAS. Informacje o badaniu dostępne są również na stronach IFJ PAN.

Źródło informacji: Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Materiały graficzne: ORNL/Jill Hemman