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Des molécules d'hélium "impossibles" autour des naines blanches ?

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La formation de molécules d'hélium sur Terre reste très difficile et l'on a même longtemps pensé qu'elle était impossible. D'après des simulations sur ordinateur, tout changerait dans le cas d'atomes d'hélium plongés dans les champs magnétiques intenses des naines blanches et des étoiles à neutrons.

IC 418, encore appelée la nébuleuse du Spirographe, est une nébuleuse planétaire. Elle contient, en son centre, une naine blanche dont l'intense rayonnement ultraviolet provoque l'émission des gaz de la nébuleuse, autrefois émis par l'étoile lorsqu'elle était une géante rouge. © Nasa, The Hubble Heritage Team (STSCI/Aura)

Il a fallu attendre le début du XXe siècle pour percer les secrets de la liaison chimique. Ce n'est que lorsque Erwin Schrödinger eut publié ses articles sur la mécanique ondulatoire, dans lesquels il exposait en 1926 la théorie de la célèbre équation portant aujourd'hui son nom, que l'on a commencé à y voir plus clair. Quelques idées étaient cependant déjà posées. On savait que les forces électromagnétiques devaient jouer un rôle et, dès 1916, le chimiste américain Gilbert Lewis avait proposé le début de la théorie de la liaison covalente entre atomes. Il s'agissait de la mise en commun d'électrons.

Mais il revint à Walter Heitler et Fritz London de donner, en 1927, la première explication quantique correcte de la liaison chimique, spécifiquement celle de la molécule de dihydrogène, à l'aide de l'équation de Schrödinger. Enfin, c'est principalement Robert Mulliken qui développa, avec d'autres, le concept d'orbitale moléculaire (modèle décrivant les états électroniques de molécules) bien connu des chimistes quantiques de nos jours.

En haut de ce schéma, on voit les répartitions les plus simples des densités de probabilité de présence d'un électron autour d'un noyau. Le champ de densité de probabilité est donné par l'équation de Schrödinger et il est représenté en bas par 3 fonctions, correspondants à 3 orbitales atomiques (orbitale s). En abscisse, on a porté la distance au noyau et, en ordonnée, la densité de probabilité. On voit apparaître des zones où la densité de probabilité est la plus forte. Attention cependant, les répartitions de probabilité sont similaires mais différentes. © Richard Garcia, dlst.ujf-grenoble.fr

On sait, depuis la découverte du modèle de l'atome de Bohr, que les électrons se comportent comme s'ils étaient en orbite à des distances déterminées du noyau. Mais la comparaison s'arrête là. Les images montrant que l'atome est une sorte de mini-Système solaire en réduction sont trompeuses. Une représentation plus exacte serait celle d'un champ formant des concentrations particulièrement intenses, parfois en forme de coquilles, donnant les zones où il est possible de trouver, avec la plus grande probabilité, un électron autour d'un atome. Mais là aussi, ce n'est qu'une image grossière de la réalité physique, qui est plus ou moins associée à ce qu'on appelle techniquement une orbitale atomique pour un électron.

Ces champs autour des atomes peuvent se recouvrir l'un l'autre en s'additionnant ou se soustrayant à la façon de deux vagues entrant en collision à la surface de l'eau. Il se forme alors des orbitales moléculaires lorsque deux ou plusieurs atomes sont proches. Dans le premier cas, une énergie de liaison apparaît entre les atomes, et l'on est en présence d'une liaison chimique. On parle alors d'orbitale liante. Dans le second cas, la soustraction produit une orbitale antiliante et une molécule ne peut pas se former.

Robert Mulliken (1896-1986) est un physicien et chimiste américain principalement connu pour ses travaux sur le concept d'orbitale moléculaire et de la liaison chimique quantique. Il a obtenu le prix Nobel de chimie en 1966 pour ses travaux expliquant la structure des molécules. © AIP

Une nouvelle liaison chimique grâce au champ magnétique

Appliquer la théorie aux atomes d'un gaz rare, l'hélium, semble tout d'abord conduire à l'impossibilité de la formation d'une molécule diatomique d'hélium. Comme on l'a découvert par la suite, il existe des situations dans lesquelles des molécules d'hélium, bien que faiblement liées et instables, peuvent se former. On connaît ainsi le cas des molécules d'hélium exotiques ultrafroides.

Mais selon des chercheurs qui viennent de publier un article dans Science, il serait possible d'obtenir, à partir des orbitales antiliantes, une molécule d'hélium stable dans certaines situations.

En employant un programme baptisé London, visiblement en référence à Fritz London, ils ont découvert que tout changerait si des atomes d'hélium étaient placés dans un champ magnétique particulièrement intense d'au moins 105 teslas (sur Terre, les champs magnétiques les plus intenses produits en laboratoire atteignent 30 à 40 teslas, T). Un nouveau type de liaison chimique stable deviendrait donc possible.

Il s'agit de spéculations purement théoriques mais, en tout état de cause, des champs aussi intenses se trouvent à la surface des étoiles à neutrons et des naines blanches. Il existe donc, peut-être, des molécules à la chimie exotique à bonne distance de ces astres (car il faut qu'elles ne soient pas détruites aussitôt formées par les rayonnements émis par les étoiles). Il faudrait, tout de même, que le champ magnétique y soit encore suffisamment intense.

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