Le cœur de Jupiter pourrait contenir de l’hydrogène métallique, cet état de l’hydrogène supposé pouvoir mener à la supraconductivité à température ambiante. © Thomas Hawk, Flickr, CC by-NC 2.0

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Les supraconducteurs du futur seront-ils à hydrogène ?

ActualitéClassé sous :physique , hydrogène métallique , Carnegie institution for Science

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Fortement comprimé, devenu métallique, l'hydrogène pourrait présenter des propriétés supraconductrices à température ambiante. Et des chercheurs américains annoncent avoir touché du doigt cet état de l'hydrogène qui fait rêver les physiciens depuis près d'un siècle.

L'hydrogène métallique, ce graal dont nombre de chercheurs en sciences des matériaux et en physique des hautes pressions rêvent depuis plusieurs décennies, une équipe de la Carnegie Institution for Science (États-Unis) semble l'avoir enfin atteint ! Dans une étude publiée dans Nature Communications, ils annoncent en effet avoir produit une nouvelle classe de matériaux en parvenant à mêler atomes d'hydrogène et atomes de sodium. De quoi, espèrent-ils, révolutionner le paysage de la supraconductivité.

C'est dans les années 1930 que l'idée est apparue. Selon des physiciens de l'époque, il suffirait de soumettre l'hydrogène à une forte pression pour assister à un changement de phase inédit. Le gaz hydrogène isolant se transformerait alors en un cristal métallique conducteur suite à la dissociation des molécules de dihydrogène en atomes. Cet hydrogène métallique présenterait des propriétés spécifiques et, surtout, des propriétés supraconductrices à température ambiante. D'où le grand intérêt que les scientifiques ont porté à cette phase particulière de l'élément chimique le plus simple et le plus répandu dans l'univers.

Il a par ailleurs été prédit que des composés de plusieurs atomes d'hydrogène et d'un métal alcalin (première colonne de la classification périodique des éléments, également celle de l'hydrogène) pourrait permettre de créer une structure électronique propice à l'émergence de propriétés supraconductrices à température ambiante. Et c'est la voie qu'a choisie l'équipe de la Carnegie Institution for Science.

Au centre de l’image, en vert, une chaîne de trois atomes d’hydrogène à une dimension telle qu’elle apparaît dans le NaH7, le nouveau matériau créé par les chercheurs de la Carnegie Institution for Science. © Budck Young Kim, Carnegie Institution for Science

Au centre de l’image, en vert, une chaîne de trois atomes d’hydrogène à une dimension telle qu’elle apparaît dans le NaH7, le nouveau matériau créé par les chercheurs de la Carnegie Institution for Science. © Budck Young Kim, Carnegie Institution for Science

Hautes pressions pour structures uniques

Les chercheurs américains ont cherché à vérifier la théorie qui prétend qu'un composé sodium-hydrogène présenterait des caractéristiques d'un métal et des structures uniques ainsi que, bien sûr, les propriétés supraconductrices tant espérées. Grâce à la cristallographie aux rayons X et la spectroscopie Raman, ils ont pu vérifier la structure atomique et les modes vibrationnels de leurs composés.

L'équipe de la Carnegie Institution for Science a comprimé des échantillons de sodium dans une cellule à enclumes de diamant. Le principe en est relativement simple : en appliquant une force importante sur une surface réduite, il est possible d'atteindre des pressions extrêmement élevées. Et les caractéristiques du diamant lui permettent de résister à des compressions exceptionnelles. Le système permet ainsi d'atteindre des pressions de 500 GPa (cinq millions d'atmosphères) et des températures de 5.000 kelvins (K). Par ailleurs, la transparence du diamant permet de mesurer plus facilement les propriétés des matériaux soumis à ce type de conditions extrêmes.

À des pressions comprises entre 30 et 40 GPa (300.000 et 400.000 atmosphères) et à des températures d'environ 2.000 K (soit quelque 1.700 °C), nos chercheurs ont pu observer, pour la première fois, des structures mêlant un atome de sodium et trois atomes d'hydrogène (NaH3) et même des structures à base d'un atome de sodium et de sept atomes d'hydrogène (NaH7). Et dans des configurations très inattendues puisque, par exemple, le NaH7 présentait trois anions hydrogène (H-) alignés dans une chaîne à une dimension. Reste désormais aux chercheurs à vérifier que cette nouvelle classe de matériaux peut être produite à des températures et à des pressions plus modestes...

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