L'étude de l’hydrogène métallique nous permettrait de mieux comprendre Jupiter (la géante gazeuse en contiendrait en son cœur). Cela pourrait aussi nous mener vers la maîtrise d'un supraconducteur à température ambiante, ce qui bouleverserait probablement notre technologie. © Mark Meamber

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De l'hydrogène métallique au cœur de Jupiter

ActualitéClassé sous :physique , hydrogène métallique , transition de phase

L'hydrogène isolant devient un fluide métallique conducteur à très hautes pressions. Cette transition de phase étonnante vient d'être à nouveau étudiée dans des conditions difficiles à obtenir, confirmant des modèles qui peuvent nous permettre de mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur de Jupiter.

Ce n'est vraiment qu'en 1766 que le physicien et chimiste britannique Henry Cavendish montre qu'il existe un gaz bien particulier, qu'Antoine Lavoisier baptisera plus tard hydrogène (du grec « formeur d'eau ») lorsqu'il découvrit, en 1783, que celui-ci réagit avec l'oxygène pour former de l'eau. Depuis, l'étude de l'hydrogène s'est poursuivie et elle a notamment permis le développement de la mécanique quantique via le modèle de l'atome de Bohr qui permettra à de Broglie d'introduire le concept d'onde de matière, et à Schrödinger de développer sa fameuse équation.

En 1935, le physicien et chimiste hongrois Eugène Wigner va finalement aboutir à une conclusion surprenante en se basant sur la mécanique ondulatoire de Schrödinger. À des pressions suffisamment élevées, le gaz d'hydrogène, normalement isolant, se comporte brutalement comme un fluide métallique conducteur. L'obtention de cette transition de phase et sa caractérisation précise ont conduit à de nombreux travaux qui se poursuivent depuis quelques décennies.

Le comportement de l'hydrogène à hautes pressions ainsi que ses isotopes, comme le deutérium, intéresse physiciens, ingénieurs et astrophysiciens. En effet, il est susceptible d'impacter notre technologie et notre connaissance de l'Univers via la voie de la fusion inertielle et l'étude du cœur des planètes géantes comme Jupiter et Saturne.

En 1935, le physicien Eugene Wigner prédisait qu’en portant l’hydrogène à très hautes pressions, il serait possible de le transformer en métal. Plus de 80 ans ont passé et le défi de l’hydrogène métallique a été relevé. Paul Loubeyre (CEA), Florent Occelli (CEA) et Paul Dumas (Synchrotron Soleil) espéraient y parvenir... comme plusieurs autres équipes à travers le monde. Un reportage d’Olivier Boulanger. © universcience.tv

Une équipe internationale de chercheurs du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (dont Stéphanie Brygoo et Paul Loubeyre, chercheurs au CEA), de l'université d'Edimbourg, de l'université de Rochester, à la Carnegie institution de Washington, de l'université de Californie à Berkeley et à l'Université George Washington, vient de publier un article dans Science qui illustre bien l'importance des travaux sur le comportement de l'hydrogène à hautes pressions.

Du deutérium à une pression de 6 millions d'atmosphères au NIF

Les physiciens ont pu produire, observer et caractériser avec plus de précision la transition de phase menant à l'hydrogène métallique en utilisant la National ignition facility (NIF), un laser de recherche extrêmement intense construit au Lawrence Livermore national laboratory, à Livermore (Californie), connu pour son rôle dans les essais d'armes nucléaires des États-Unis et dans les expériences sur la fusion.

L'objectif de la série de cinq expériences menées était de vérifier certaines prédictions numériques concernant cette transition de phase dans du deutérium liquide (un isotope de l'hydrogène) à une pression de 600 GPa - soit 6 millions d'atmosphères, presque deux fois la pression au centre de la Terre - tout en conservant la température entre 1.000 et 2.000 kelvins. Il s'agissait d'un challenge car la compression obtenue avec une séquence de propagation d'ondes de choc en utilisant 168 faisceaux laser du NIF se devait de ne pas trop échauffer l'échantillon.

Les chercheurs ont finalement observé la transition comme prévu et vérifié qu'elle se produisait comme une transition du premier ordre selon la terminologie issue de la thermodynamique, introduite au début du XXe siècle par le physicien Paul Ehrenfest. L'apparition de la phase métallique se constate avec l'instrument Visar (Velocity interferometer system for any reflector), car, de transparent initialement, le deutérium est devenu d'abord opaque puis avec un éclat métallique au fur et à mesure que la pression montait et que son indice de réfraction changeait.

Cette nouvelle caractérisation de l'apparition de l'hydrogène métallique à hautes pressions devrait nous aider à comprendre notamment l'origine du champ magnétique des planètes géantes. La sonde Juno a montré récemment que celui de Jupiter différait de celui de la Terre. Il devrait y avoir une dynamo interne comme sur la Terre mais son fonctionnement est très différent.

  • En 1935, le prix Nobel de physique Eugène Wigner prédisait en se basant sur la mécanique quantique que l'hydrogène, un isolant, deviendrait un métal conducteur à hautes pressions.
  • Ce phénomène surprenant a depuis été confirmé mais il n'a pas livré tous ses secrets.
  • Une équipe internationale avec des membres du CEA est parvenue à produire cette transition de phase dans un domaine de pressions et de températures difficiles à obtenir, confirmant des prédictions numériques concernant le caractère de cette transition de phase.
  • De l'hydrogène métallique devrait exister au cœur de Jupiter, générant un champ magnétique par un effet de dynamo comme il en existe au cœur de la Terre et du Soleil, avec des processus différents.
Pour en savoir plus

L'hydrogène métallique de Jupiter pourrait bouleverser notre technologie

Article de Laurent Sacco publié le 07/07/2016

D'isolant, l'hydrogène semble devenir conducteur sous forme de métal lorsqu'il se trouve dans des conditions de pression et de température comme celles régnant à l'intérieur de Jupiter. L'étude de l'hydrogène métallique pourrait non seulement nous permettre de mieux comprendre cette planète mais aussi conduire à des révolutions technologiques.

La course aux basses températures et l'étude de leur effet sur l'état de la matière remonte, grossièrement, au début du XIXe siècle. Michael Faraday, en particulier, a réussi à liquéfier plusieurs gaz, dont le chlore en 1823. Toutefois, il faudra attendre les travaux du Français Louis Paul Cailletet pour faire de même avec l'oxygène et l'azote, à partir de 1877, puis du Britannique James Dewar pour la liquéfaction de l'hydrogène.

La cryogénie atteint alors un tournant au début du XXe siècle quand Heike Kamerlingh Onnes liquéfie l'hélium - ce qui va conduire à la découverte de la superfluidité - et, surtout, révèle l'existence d'une transition de phase spectaculaire conduisant à la supraconductivité.

Nous savons aujourd'hui que superfluidité et supraconductivité sont des phénomènes foncièrement quantiques. En 1935, l'un des maîtres de la physique quantique à cette époque, le physicien hongrois Eugène Wigner, s'est servi de cette physique pour faire une étonnante prédiction en compagnie de son collègue Hillard Bell Huntington. La voici : à très basse température et à haute pression, un gaz d'hydrogène moléculaire isolant doit se transformer en un cristal métallique conducteur dont les sites sont occupés par des atomes provenant de la dissociation des molécules de dihydrogène (H2). Ces dernières décennies, la quête et l'exploration de la physique de l'hydrogène métallique est presque devenue le graal de la physique des hautes pressions.

Le physicien théoricien Eugène Wigner est célèbre pour son analyse du rôle des symétries et de la théorie des groupes en mécanique quantique. Comme Erwin Schrödinger, il s'intéressait au mysticisme du Vedanta indien. © BME OMIKK, 2005

L'hydrogène, un métal supraconducteur à température ambiante ?

Cette fascination pour la prédiction d'Eugène Wigner est aisément compréhensible car il ne s'agirait pas d'une simple curiosité de laboratoire. En effet, les calculs de certains théoriciens laissent entendre que cet hydrogène solide serait métastable. Cela signifie qu'à température et pression ambiantes (ou, pour le moins, nettement moins extrêmes que celles qu'il a fallu atteindre pour l'obtenir), l'hydrogène solide garderait ses nouvelles propriétés pendant un temps assez long. Or, l'une d'entre elles serait la supraconductivité, ce qui permettrait d'atteindre un autre graal de la physique du solide capable de bouleverser notre technologie : un supraconducteur à température ambiante.

Un autre aspect intéressant de l'hydrogène métallique métastable concerne le stockage de l’hydrogène à haute densité. Bien des dispositifs électriques pourraient ainsi fonctionner avec des réserves d'énergie sous cette forme. La conquête de l'espace pourrait également en être révolutionnée car de l'hydrogène métallique, du fait de sa densité (sous forme solide dense, l'énergie stockée prend moins de place que sous forme liquide), serait un carburant plus efficace que tous les autres d'un facteur 10 environ. Un voyage vers Mars en serait donc raccourci de plusieurs mois.

Depuis quelques décennies, les chercheurs sont parvenus à obtenir de l'hydrogène sous pression qui se comporte comme un métal conducteur, mais plutôt à l'état liquide que solide. En tout état de cause, on en est encore au balbutiement de l'étude de l'hydrogène métallique. Un groupe de chercheurs de l'université d'Harvard, mené par Isaac Silvera, vient de publier dans Physical Review B les résultats de travaux intéressants à ce sujet. Ils sont accessibles en ligne dans un article déposé sur arXiv.

L'intérieur de Jupiter pourrait contenir de l'hydrogène métallique (en gris sur cette illustration). © R. J. Hall, Nasa

Le cœur de Jupiter dans une cellule à enclumes de diamant

À Harvard, dans la lignée du pionnier des hautes pressions Percy Bridgman, les physiciens ont utilisé une cellule à enclumes de diamant pour leur expérience. Cela leur a permis de recréer des températures et des pressions comparables à celles régnant dans les profondeurs de Jupiter. Pour ce faire, ils ont comprimé un échantillon d'hydrogène aux sommets larges de 100 microns de deux diamants.

Le chauffage a été obtenu à travers les diamants à l'aide de faisceaux laser. Grâce à cette technique, ils ont pu observer en détail, comme jamais auparavant, le passage d'une phase isolante de l'hydrogène à une phase conductrice. Lorsque cela se produit, l'hydrogène cesse d'être transparent et se comporte comme un métal réfléchissant la lumière.

Bien dans l'air de la mise en orbite de la sonde Juno autour de Jupiter, cette expérience peut nous donner des indications précieuses sur les propriétés de la géante gazeuse. Elle peut nous en dire plus sur la structure interne de cette planète, son histoire et la façon dont elle engendre son champ magnétique à l'origine des spectaculaires aurores boréales de Jupiter.

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