Sciences

La supraconductivité du sulfure d'hydrogène à 190 K pourrait s'expliquer

ActualitéClassé sous :supraconducteur , sulfure d'hydrogène , cuprate

À haute pression, l'hydrogène devient métallique. L'ajout d'atomes de soufre peut alors le transformer en matériau supraconducteur, une propriété que le sulfure d'hydrogène semblait conserver jusqu'à la température de 190 kelvins. Ce qui laissait penser qu'il contenait peut-être la clé de l'énigme des cuprates. Mais ce n'est pas le cas...

Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique  Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques. 

Il y a presque 30 ans, lorsque les premiers supraconducteurs à haute température critique ont été découverts, on espérait que les progrès allaient être rapides tant sur le plan théorique que sur le plan pratique en direction de création de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Malheureusement, les supraconducteurs exotiques que sont les cuprates gardent toujours jalousement leurs secrets. On sait toutefois que, contrairement aux supraconducteurs conventionnels, les paires de Cooper qui s'y forment ne prennent pas naissance selon un mécanisme bien compris dans le cadre de la théorie BCS.

Différentes stratégies sont en cours d'étude pour percer l'énigme des cuprates et on a entre-temps découvert d'autres types de supraconducteurs exotiques, comme ceux à fermions lourds. Le record de haute température attesté pour les cuprates est de 164 kelvins (K). Il faut toutefois exercer de hautes pressions pour obtenir ce résultat car, à pression ambiante, il n'est que de 133 K. Récemment, un groupe de chercheurs a obtenu un résultat intrigant en comprimant à 150 GPa du simple sulfure d’hydrogène (H2S).

Dans ce réseau cubique de H3S, les atomes d'hydrogène (en mauve) oscillent et sont responsables de l'existence de quanta d'excitation, que l'on appelle des phonons. Ils sont responsables de l'apparition d'une phase supraconductrice dans ce solide cristallisé. © Donostia International Physics Center

Le sulfure d'hydrogène imposerait des oscillateurs quantiques anharmoniques

Les théoriciens se sont bien sûr tout de suite penchés sur la question. Il s'agit d'un système physique simple et des températures critiques aussi élevées ne se rencontrent d'ordinaire qu'avec des supraconducteurs qui ne sont pas décrits par la théorie BCS. Il pouvait donc s'agir d'une fenêtre sur les mécanismes de la supraconductivité exotique. Mais une équipe internationale de chercheurs anglais, canadien, chinois, espagnol et français vient de publier sur arXiv un article qui suggère qu'il n'en est rien.

Pour atteindre cette conclusion, les physiciens ont, comme il se doit, utilisé les lois de la physique quantique. Ils ont commencé par établir que le sulfure d'hydrogène perdait sa stabilité sous haute pression et que le H2S devenait soit un matériau à base de HS2 soit un solide cristallin à base de H3S formant un réseau cubique (les deux composés prennent en fait une forme métallique aux hautes pressions étudiées). Ils ont ensuite montré que cette dernière forme était bien capable d'exhiber une phase supraconductrice à haute température critique au-dessus de 200 GPa.

Comme dans le cadre de la théorie BCS, les paires de Cooper se forment sous l'effet des interactions des électrons avec les phonons du réseau cristallin, c'est-à-dire les analogues des photons pour les ondes sonores dans les réseaux des solides cristallisés. Mais, dans le cas présent, le simple modèle d'un oscillateur harmonique pour décrire de petites vibrations des atomes d'hydrogène autour de leur position d'équilibre ne suffit plus. Il faut prendre en compte un modèle d'oscillateur plus complexe avec des vibrations qui sont dites anharmoniques.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. Les cuprates sont des supraconducteurs à haute température critique et ce sont, à l’heure actuelle, ceux qui présentent une supraconductivité aux plus hautes températures, environ 140 K. Ce sont les seuls matériaux qui sont supraconducteurs aux températures de l’azote liquide. Ils font partie des supraconducteurs non conventionnels, car on ne s'explique pas leur existence à l'aide de la théorie standard de la supraconductivité. © Mai-Linh Doan, Wikimedia Commons, GNU 1.2