Une première mondiale: l'observation de l'hydrogène métallique

Publié par Redbran le 31/01/2020 à 14:00
Source: CEA
Deux chercheurs de la Direction des applications militaires du CEA et un chercheur émérite du CNRS, détaché au synchrotron SOLEIL, viennent de franchir une étape historique en observant pour la première fois de l'hydrogène sous forme métallique. Les résultats de cette première mondiale sont publiés dans la revue Nature du 30 janvier 2020.


De gauche à droite: Florent Occelli, Paul Loubeyre et Paul Dumas © Synchroton SOLEIL

Un enjeu historique de la physique

Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...), prédite depuis plus de 80 ans, fait l'enjeu d'une compétition intense dans la communauté des hautes pressions: plusieurs annonces ont ainsi été faites ces dernières années mais sans convaincre la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.).

Le résultat d'un effort de recherche de long terme

C'est la conjonction de l'expertise de haut niveau dans le domaine des hautes pressions de la Direction des applications militaires du CEA et de l'utilisation du grand instrument SOLEIL qui a conduit à l'observation de la transition isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants...) métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux...) de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.): la mise au point (Graphie) d'un nouveau type de presse à enclumes de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est le plus dur (dureté...) dépassant 4 millions d'atmosphères, associée à une mesure non-intrusive du passage isolant-métal à l'aide d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) infra-rouge synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) très brillant, pouvant sonder un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) de quelques microns de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....), a permis d'observer le changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), d'obtenir la signature du caractère métallique de l'échantillon sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de déterminer avec une grande précision la pression d'apparition du phénomène. Ce résultat sanctionne un effort de recherche de long terme caractérisé par une amélioration continue de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des cellules à enclumes de diamant et une maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays...) des expériences sur grands instruments.

Une question d'intérêt fondamental

La simplicité de l'hydrogène (premier atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) de la classification périodique, constitué d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et d'un électron) a joué un rôle essentiel dans le développement de la physique moderne. Si la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à...) au début du 20e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) a conduit à la compréhension des propriétés de l'atome d'hydrogène, puis celles de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température....), la description précise du comportement sous pression qui permet d'accéder au diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les...) de l'hydrogène, c'est-à-dire la connaissance de l'état en fonction de la pression et de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid...), reste très difficile tant pour les calculs que pour les expériences. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) obtenues constituent une première mondiale et permettront de faire progresser les modèles théoriques.

Des perspectives riches et passionnantes

Cette observation, loin de clore une question d'intérêt fondamental ouverte depuis des décennies, ouvre des perspectives passionnantes: elle va d'abord permettre d'établir une référence pour valider les approches théoriques qui calculent les propriétés de l'hydrogène très dense pour les intérieurs des planètes géantes ou pour la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion...) par confinement inertiel. Des propriétés inédites et spectaculaires ont ainsi été calculées pour l'hydrogène métallique, comme une supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique — l'effet Meissner —...) à température ambiante, une très forte mobilité du proton ou un passage solide-liquide à très basse température: cette première observation avec un dispositif permettant d'obtenir des échantillons d'hydrogène métallique de taille suffisante pour une caractérisation détaillée est un tremplin pour révéler les propriétés de ce métal. Elle va ensuite stimuler des recherches expérimentales pour mesurer une éventuelle supraconductivité de ce métal: si l'hydrogène métallique était supraconducteur à température et à pression ambiantes cela constituerait une avancée considérable pour le stockage de l'hydrogène qui est un enjeu énergétique primordial. Si cette perspective apparaît encore aujourd'hui difficilement accessible pour l'hydrogène dans sa forme pure, une voie prometteuse est de le synthétiser sous forme d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) avec d'autres métaux. Les premiers résultats sur la synthèse de super-hydrures, comme FeH5 ou LaH10, sont très encourageants.

Une mutualisation des compétences

Cette réussite a été rendue possible par la mutualisation des savoir-faire de trois experts. Paul Loubeyre et Florent Occelli, du CEA, ont apporté leur grande connaissance dans la fabrication et l'optimisation de cellules à hautes pressions pour atteindre les conditions extrêmes nécessaires et possèdent une réputation internationale pour leurs recherches associées à ces instruments. Paul Dumas, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) émérite du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), détaché au Synchrotron SOLEIL, est quant à lui reconnu au sein de la communauté scientifique internationale pour sa maîtrise de l'utilisation du rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) dans le domaine de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.), rayonnement grâce auquel il a été possible de mettre en évidence la métallisation de l'hydrogène.

Références:
​Synchrotron Infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen
Paul Loubeyre 1), Florent Occelli 1) and Paul Dumas 2)
| Nature, volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 577 du 30 janvier 2020

Note:
(1) CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France
(2) Synchrotron SOLEIL, BP 48, F-91192 Gif-sur-Yvette, France
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