Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que los átomos de hidrógeno en un material de hidruro metálico están mucho más estrechamente espaciados de lo que se había predicho durante décadas, una característica que posiblemente podría facilitar la superconductividad a temperatura y presión ambiente o cerca de ellas.

Este material superconductor, que transporta la electricidad sin ninguna pérdida de energía debido a la resistencia, revolucionaría la eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones de consumo e industriales.

Los científicos realizaron experimentos de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía con muestras de hidruro de vanadio-circonio a presión atmosférica y a temperaturas de entre –267,77 grados Celsius (5 K) y hasta -23 grados Celsius (250 K), mucho más altas que las temperaturas en las que se espera que se produzca la superconductividad en estas condiciones.

Sus conclusiones, publicadas en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, detallan las primeras observaciones de tales distancias atómicas entre átomos de hidrógeno en el hidruro metálico, tan pequeñas como 1,6 angstroms, en comparación con las distancias de 2,1 angstroms predichas para estos metales.

Esta disposición interatómica es notablemente prometedora, ya que el hidrógeno contenido en los metales afecta a sus propiedades electrónicas. Se ha descubierto que otros materiales con disposiciones de hidrógeno similares comienzan a actuar como superconductores, pero solo a presiones muy altas.

El equipo de investigación incluía científicos del Instituto de Investigación Empa (Laboratorios Federales Suizos de Ciencia de Materiales y Tecnología), la Universidad de Zúrich, la Academia Polaca de Ciencias, la Universidad de Illinois en Chicago y el ORNL.

“Algunos de los más prometedores superconductores de ‘alta temperatura’, como el decahidruro de lantano, pueden comenzar a actuar como superconductores a unos -13,3 grados Celsius, pero desafortunadamente también requieren enormes presiones de hasta 22 millones de libras por pulgada cuadrada (psi), o casi 1.400 veces la presión ejercida por el agua en la parte más profunda del océano más profundo de la Tierra”, dijo Russell J. Hemley, Profesor y Catedrático Distinguido en Ciencias Naturales de la Universidad de Illinois en Chicago. “Durante décadas, el ‘santo grial’ para los científicos ha sido encontrar o fabricar un material que se comporte como superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica a nivel del mar, lo que permitiría a los ingenieros incorporarlo en sistemas y dispositivos eléctricos convencionales. Esperamos que un metal barato y estable como el hidruro de vanadio-circonio pueda ser adaptado para proporcionar un material superconductor como este”.

[Img #59480]

Ilustración de una estructura atómica de hidruro de vanadio-circonio en condiciones casi ambientales. La red está compuesta por átomos de vanadio (en color oro) y átomos de circonio (en blanco) que encierran átomos de hidrógeno (en rojo). Se muestra a tres átomos de hidrógeno interactuando a distancias atómicas de hidrógeno sorprendentemente pequeñas, tan cortas como 1,6 angstroms. Estos espacios más pequeños entre los átomos podrían permitir el empaquetamiento de una cantidad significativamente mayor de hidrógeno en el material hasta un punto en el que comience a actuar como superconductor. (Crédito: ORNL/Jill Hemman)

Estudiando el material de hidrógeno

Los investigadores habían probado las interacciones del hidrógeno en el bien estudiado hidruro metálico con espectroscopia. Sin embargo, la señal espectral resultante, incluyendo un pico prominente de alrededor de 50 milielectrones de voltaje, no concordaba con lo que los modelos predecían.

El gran avance en entender lo que sucedía ocurrió después de que el equipo comenzó a trabajar con la Oak Ridge Leadership Computing Facility para desarrollar una estrategia para evaluar los datos. El OLCF en ese momento era el hogar de Titán, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, un sistema Cray XK7 que operaba a velocidades de hasta 27 petaflops.

“El ORNL es el único lugar del mundo que cuenta con una fuente de neutrones líder en el mundo y una de las supercomputadoras más rápidas del mundo”, dijo Timmy Ramírez-Cuesta, jefe del equipo de espectroscopia química del ORNL. “La combinación de las capacidades de estas instalaciones nos permitió compilar los datos de la espectroscopia de neutrones e idear una forma de calcular el origen de la señal anómala que encontramos. Se necesitó un conjunto de 3.200 simulaciones individuales, una tarea masiva que ocupó alrededor del 17% de la inmensa capacidad de procesamiento de Titán durante casi una semana, algo para lo cual un ordenador convencional habría necesitado de diez a veinte años”.

Estas simulaciones informáticas, junto con experimentos adicionales que descartaron explicaciones alternativas, demostraron de manera concluyente que la inesperada intensidad espectral solo se produce cuando las distancias entre los átomos de hidrógeno son inferiores a 2,0 angstroms, lo que nunca se había observado en un hidruro metálico a presión y temperatura ambiente. Las conclusiones del equipo representan la primera excepción conocida al criterio de Switendick en una aleación bimetálica, una regla que sostiene que para los hidruros estables a temperatura y presión ambientales la distancia hidrógeno-hidrógeno nunca es inferior a 2,1 angstroms.

“Una cuestión importante es si el efecto observado se limita o no específicamente al hidruro de vanadio-circonio”, dijo Andreas Borgschulte, jefe del grupo de espectroscopia del hidrógeno de Empa. “Nuestros cálculos para el material, al excluir el límite de Switendick, fueron capaces de reproducir el pico, apoyando la noción de que en el hidruro de vanadio se producen pares hidrógeno-hidrógeno con distancias inferiores a 2,1 angstroms”.

En futuros experimentos, los investigadores planean añadir más hidrógeno al hidruro de vanadio-circonio a varias presiones para evaluar el potencial de conductividad eléctrica del material. La supercomputadora Summit del ORNL -que a 200 petaflops es más de 7 veces más rápida que Titán y desde junio de 2018 ha sido la número 1 en la lista TOP500, una clasificación semestral de los sistemas de computación más rápidos del mundo- podría proporcionar la potencia de computación adicional que se requerirá para analizar estos nuevos experimentos. (Fuente: NCYT Amazings)