Une équipe internationale de chercheurs a découvert que les atomes d'hydrogène dans un matériau d'hydrure métallique sont beaucoup plus rapprochés que prévu depuis des décennies, une caractéristique qui pourrait éventuellement faciliter la supraconductivité à ou près de la température et de la pression ambiantes.

Un tel matériau supraconducteur, transporter l'électricité sans aucune perte d'énergie due à la résistance, révolutionnerait l'efficacité énergétique dans un large éventail d'applications grand public et industrielles.

Les scientifiques ont mené des expériences de diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie sur des échantillons d'hydrure de vanadium de zirconium à la pression atmosphérique et à des températures allant de -450 degrés Fahrenheit (5 K) à -10 degrés Fahrenheit (250 K)—beaucoup supérieures aux températures auxquelles la supraconductivité devrait se produire dans ces conditions.

Leurs découvertes, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , détailler les premières observations de ces petites distances atomiques hydrogène-hydrogène dans l'hydrure métallique, aussi petit que 1,6 angström, par rapport aux distances de 2,1 angströms prédites pour ces métaux.

Cet arrangement interatomique est remarquablement prometteur puisque l'hydrogène contenu dans les métaux affecte leurs propriétés électroniques. D'autres matériaux avec des arrangements d'hydrogène similaires ont été trouvés pour commencer à être supraconducteurs, mais seulement à des pressions très élevées.

L'équipe de recherche comprenait des scientifiques de l'institut de recherche Empa (Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux), l'Université de Zurich, Académie polonaise des sciences, l'Université de l'Illinois à Chicago, et ORNL.

« Certains des supraconducteurs « haute température » ​​les plus prometteurs, comme le décahydrure de lanthane, peut commencer à être supraconducteur à environ 8,0 degrés Fahrenheit, mais nécessitent malheureusement aussi d'énormes pressions pouvant atteindre 22 millions de livres par pouce carré, ou près de 1, 400 fois la pression exercée par l'eau dans la partie la plus profonde de l'océan le plus profond de la Terre, " a déclaré Russell J. Hemley, Professeur et titulaire d'une chaire distinguée en sciences naturelles à l'Université de l'Illinois à Chicago. "Depuis des décennies, le « Saint Graal » pour les scientifiques a été de trouver ou de fabriquer un matériau supraconducteur à température ambiante et pression atmosphérique, ce qui permettrait aux ingénieurs de le concevoir dans des systèmes et dispositifs électriques conventionnels. Nous espérons qu'un bon marché, un métal stable comme l'hydrure de zirconium et de vanadium peut être adapté pour fournir un tel matériau supraconducteur."

Les chercheurs avaient sondé les interactions de l'hydrogène dans l'hydrure métallique bien étudié avec une haute résolution, spectroscopie vibrationnelle de neutrons inélastiques sur la ligne de lumière VISION à la source de neutrons de spallation de l'ORNL. Cependant, le signal spectral résultant, dont un pic important à environ 50 milliélectronvolts, n'était pas d'accord avec ce que les modèles prédisaient.

La percée dans la compréhension s'est produite après que l'équipe a commencé à travailler avec Oak Ridge Leadership Computing Facility pour développer une stratégie d'évaluation des données. L'OLCF abritait à l'époque Titan, l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, un système Cray XK7 qui fonctionnait à des vitesses allant jusqu'à 27 pétaflops (27 quadrillions d'opérations en virgule flottante par seconde).

"ORNL est le seul endroit au monde qui possède à la fois une source de neutrons de premier plan et l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, " a déclaré Timmy Ramirez-Cuesta, chef d'équipe pour l'équipe de spectroscopie chimique de l'ORNL. « La combinaison des capacités de ces installations nous a permis de compiler les données de spectroscopie neutronique et de trouver un moyen de calculer l'origine du signal anormal que nous avons rencontré. Il a fallu un ensemble de 3, 200 simulations individuelles, une tâche colossale qui a occupé environ 17 % de l'immense capacité de traitement de Titan pendant près d'une semaine, ce qu'un ordinateur conventionnel aurait mis dix à vingt ans à faire. »

Ces simulations informatiques, ainsi que des expériences supplémentaires excluant des explications alternatives, prouvé de façon concluante que l'intensité spectrale inattendue ne se produit que lorsque les distances entre les atomes d'hydrogène sont inférieures à 2,0 angströms, qui n'avait jamais été observé dans un hydrure métallique à pression et température ambiantes. Les découvertes de l'équipe représentent la première exception connue au critère de Switendick dans un alliage bimétallique, une règle qui vaut pour les hydrures stables à température et pression ambiantes, la distance hydrogène-hydrogène n'est jamais inférieure à 2,1 angströms.

"Une question importante est de savoir si l'effet observé est limité spécifiquement à l'hydrure de zirconium vanadium, " a déclaré Andreas Borgschulte, chef de groupe pour la spectroscopie d'hydrogène à l'Empa. "Nos calculs pour le matériau - en excluant la limite Switendick - ont pu reproduire le pic, soutenant l'idée que dans l'hydrure de vanadium, des paires hydrogène-hydrogène avec des distances inférieures à 2,1 angströms se produisent."

Dans les expériences futures, les chercheurs prévoient d'ajouter plus d'hydrogène à l'hydrure de zirconium vanadium à diverses pressions pour évaluer le potentiel de conductivité électrique du matériau. Le supercalculateur Summit de l'ORNL, qui, à 200 pétaflops, est 7 fois plus rapide que Titan et est depuis juin 2018 n°1 sur la liste TOP500, un classement semestriel des systèmes informatiques les plus rapides au monde pourrait fournir la puissance de calcul supplémentaire qui sera nécessaire pour analyser ces nouvelles expériences.