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. © Nasa, Esa, J. Nichols (University of Leicester)

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L'hydrogène métallique de Jupiter pourrait bouleverser notre technologie

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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.

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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.