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Sous des pressions extrêmes, les cristaux purs de vanadium changent de forme sans diminuer de volume, à la différence de la plupart des autres éléments subissant une transition de phase. Les travaux des chercheurs sont publiés dans l'édition du 23 février de Physical Review Letters.
Conduite par Yang Ding du HPCAT (High Pressure Collaborative Access Team), les scientifiques ont utilisé une "enclume" de diamant pour soumettre des cristaux de vanadium à des pressions plus de 600 000 fois plus élevées que la pression atmosphérique. A l'aide de l'installation à haute résolution à rayons X du HPCAT, ils ont pu observer que la forme des unités atomiques de base des cristaux de vanadium était passée de celle d'un cube à celle d'un rhomboèdre, qui ressemble à un cube dont les côtés sont écrasés en forme de diamant.
"C'est en essayant de comprendre pourquoi le vanadium sous haute pression possédait la plus haute température supraconductrice de tous les éléments connus que nous avons eu l'idée d'étudier sa structure dans ces circonstances", raconte Ding. "Nous ne pensions toutefois pas découvrir un type de transition de phase complètement nouveau."
Les changements de phase les plus familiers sont ceux qui interviennent entre l'état gazeux, l'état liquide, et les formes solides. En général, une pression croissante et une température décroissante provoquent la diminution du volume d'une substance et aboutissent à un solide. Mais, à cause de leurs atomes extrêmement resserrés à hautes pressions, certains solides subissent d'autres modifications de leurs propriétés physiques et peuvent même se déformer, ce qui, habituellement, a pour conséquence une modification de volume. Mais à cet égard, le vanadium est unique.
Bien qu'il soit onéreux à extraire et à raffiner, le vanadium est extrêmement important dans les pays industrialisés, où on l'utilise principalement comme additif de l'acier. L'acier enrichi en vanadium est exceptionnellement dur et résistant à la fatigue, ce qui le rend idéal pour les couteaux de cuisine qui restent tranchants presque indéfiniment, et pour les pales des turbines qui peuvent supporter une grande vitesse et sont moins sensibles à l'abrasion.
On pensait que les cristaux purs de vanadium de forme cubique pouvaient résister à des pressions supérieures à plusieurs millions de bars. Des calculs théoriques récents, cependant, avaient suggéré que la pression pourrait causer des interactions électroniques exceptionnelles dans le vanadium qui détruiraient les cristaux cubiques. En fait, le vanadium évite cet effondrement en se changeant en rhomboèdre.
Les six faces d'un rhomboèdre sont des losanges
"Bien que ce soit la première fois que ce type de transition soit observé, le phénomène suggère qu'il y aurait sans doute lieu de réexaminer de nombreux autres éléments que nous pensons très stables", explique Ding. "En outre, cette transition fournit une nouvelle explication à la montée continue de la température de supraconductivité du vanadium à haute pression, et pourrait nous conduire à de prochaines découvertes dans le domaine des matériaux supraconducteurs."