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Quand l’hydrogène devient métallique


7 février 2020
Par GC Staff

Deux chercheurs de la Direction des applications militaires du CEA et un du CNRS, Florent Occelli, Paul Loubeyre et Paul Dumas, viennent de franchir une étape historique en observant pour la première fois de l’hydrogène sous forme métallique. Les résultats de cette première mondiale ont été publiés dans la revue Nature du 30 janvier 2020. Cette observation, 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.

 

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 métal de l’hydrogène : la mise au point d’un nouveau type de presse à enclumes de diamant dépassant 4 millions d’atmosphères, associée à une mesure non-intrusive du passage isolant-métal à l’aide d’un rayonnement infra-rouge synchrotron très brillant, pouvant sonder un échantillon de quelques microns de diamètre, a permis d’observer le changement de phase, d’obtenir la signature du caractère métallique de l’échantillon sous pression 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 des cellules à enclumes de diamant et une maîtrise des expériences sur grands instruments.

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 par confinement inertiel. 

Des propriétés inédites et spectaculaires ont ainsi été calculées pour l’hydrogène métallique, comme une supraconductivité 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 avec d’autres métaux. Les premiers résultats sur la synthèse de super-hydrures, comme FeH5 ou LaH10, sont très encourageants.
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