Un duo de physiciens de l’Université de Harvard a réussi à créer une modification métallique de l’hydrogène. La recherche est publiée dans le journal Science.
Photo d’hydrogène métallique à une pression de 495 GPa ; l’échantillon ne transmet pas et est observé en lumière réfléchie ; la région centrale est clairement plus réfléchissante que le joint métallique en rhénium qui l’entoure ; les dimensions de l’échantillon sont d’environ 8-10 microns avec une épaisseur de 1,2 microns. Crédit image : Ranga P. Dias & ; Isaac F. Silvera, doi : 10.1126/science.aal1579.
Théorisé à l’origine par les physiciens de Princeton Eugene Wigner et Hillard Bell Huntington en 1935, l’hydrogène métallique est “le Saint Graal de la physique des hautes pressions”.
Les travaux théoriques suggèrent un large éventail de propriétés intéressantes pour ce matériau, notamment la supraconductivité à haute température et la superfluidité (s’il est liquide).
Pour le créer, les physiciens de l’Université de Harvard, le Dr Ranga Dias et le professeur Isaac Silvera, ont pressé un minuscule échantillon d’hydrogène à 495 GPa (gigapascal) – une pression supérieure à celle du centre de la Terre.
À ces pressions extrêmes, l’hydrogène moléculaire solide – qui se compose de molécules sur les sites du réseau du solide – se décompose, et les molécules étroitement liées se dissocient pour se transformer en hydrogène atomique, qui est un métal.
“Nous avons étudié l’hydrogène moléculaire solide sous pression à basse température”, ont déclaré les chercheurs.
“A une pression de 495 GPa, l’hydrogène devient métallique avec une réflectivité aussi élevée que 0,91”.
“Nous avons ajusté la réflectivité en utilisant un modèle d’électrons libres de Drude pour déterminer la fréquence du plasma de 32,5 ± 2,1 eV à T = 5,5 K, avec une densité de porteurs d’électrons correspondante de 7,7 ± 1,1 × 10…”.23 particules/cm3compatible avec les estimations théoriques de la densité atomique.”
“Les propriétés sont celles d’un métal atomique”, ont-ils noté.
Pour créer le matériau, les auteurs se sont tournés vers l’un des matériaux les plus durs sur Terre – le diamant.
Mais plutôt que du diamant naturel, ils ont utilisé deux petits morceaux de diamant synthétique soigneusement polis qui ont ensuite été traités pour les rendre encore plus durs, puis montés l’un en face de l’autre dans un dispositif connu sous le nom de cellule à enclume de diamant.
“C’était vraiment passionnant”, a déclaré le professeur Silvera.
“Ranga dirigeait l’expérience, et nous pensions que nous pourrions y arriver, mais quand il m’a appelé et m’a dit : ‘L’échantillon brille’. Je suis allé courir là-bas, et c’était de l’hydrogène métallique.”
“J’ai immédiatement dit que nous devions faire les mesures pour le confirmer, alors nous avons réorganisé le laboratoire, et c’est ce que nous avons fait.”
“C’est une réalisation extraordinaire, et même si elle n’existe que dans cette cellule d’enclume de diamant à haute pression, c’est une découverte très fondamentale et transformatrice.”
Si ces travaux ouvrent une nouvelle fenêtre sur la compréhension des propriétés générales de l’hydrogène, ils offrent également des indices alléchants sur de nouveaux matériaux potentiellement révolutionnaires.
“Une prédiction très importante est que l’hydrogène métallique est métastable”, explique le professeur Silvera.
“Cela signifie que si vous enlevez la pression, il restera métallique, de manière similaire à la façon dont les diamants se forment à partir du graphite sous une chaleur et une pression intenses, mais restent un diamant lorsque cette pression et cette chaleur sont retirées.”
“L’hydrogène métallique peut avoir un impact important sur la physique et peut-être trouvera-t-il finalement une large application technologique”, ont déclaré les chercheurs.
“Un défi imminent est de tremper l’hydrogène métallique et, si c’est le cas, d’étudier sa stabilité en température pour voir s’il existe une voie de production en grandes quantités.”
