Hydrogène métallique

Compression par ondes de choc, 1996Edit

En mars 1996, un groupe de scientifiques du Laboratoire national Lawrence Livermore a rapporté qu’ils avaient produit par hasard le premier hydrogène métallique identifiable pendant environ une microseconde à des températures de milliers de kelvins, à des pressions supérieures à 100 GPa (1 000 000 atm; 15 000 000 psi), et densités d’environ 0,6 g/cm3. L’équipe ne s’attendait pas à produire de l’hydrogène métallique, car elle n’utilisait pas d’hydrogène solide, jugé nécessaire, et travaillait à des températures supérieures à celles spécifiées par la théorie de la métallisation. Des études antérieures dans lesquelles de l’hydrogène solide était comprimé à l’intérieur d’enclumes diamantées à des pressions allant jusqu’à 250 GPa (2 500 000 atm; 37 000 000 psi) n’ont pas confirmé la métallisation détectable. L’équipe avait simplement cherché à mesurer les changements de conductivité électrique les moins extrêmes auxquels elle s’attendait. Les chercheurs ont utilisé un canon à gaz léger des années 1960, utilisé à l’origine dans les études de missiles guidés, pour tirer une plaque d’impacteur dans un récipient scellé contenant un échantillon d’un demi-millimètre d’épaisseur d’hydrogène liquide. L’hydrogène liquide était en contact avec des fils conduisant à un dispositif de mesure de la résistance électrique. Les scientifiques ont constaté que, lorsque la pression atteignait 140 GPa (1 400 000 atm; 21 000 000 psi), la bande interdite d’énergie électronique, une mesure de la résistance électrique, tombait à presque zéro. La bande interdite de l’hydrogène à l’état non comprimé est d’environ 15 eV, ce qui en fait un isolant mais, à mesure que la pression augmente de manière significative, la bande interdite est progressivement tombée à 0,3 eV. L’énergie thermique du fluide (la température est devenue d’environ 3 000 K ou 2 730 ° C en raison de la compression de l’échantillon) étant supérieure à 0,3 eV, l’hydrogène peut être considéré comme métallique.

Autres recherches expérimentales, 1996–2004Edit

De nombreuses expériences se poursuivent dans la production d’hydrogène métallique dans des conditions de laboratoire à compression statique et à basse température. Arthur Ruoff et Chandrabhas Narayana de l’Université Cornell en 1998, puis Paul Loubeyre et René LeToullec du Commissariat à l’Énergie Atomique, France en 2002, ont montré qu’à des pressions proches de celles du centre de la Terre (320-340 GPa ou 3 200 000–3 400 000 atm) et à des températures de 100-300 K (−173–27 °C), l’hydrogène est encore pas un vrai métal alcalin, à cause de la bande interdite non nulle. La recherche de l’hydrogène métallique en laboratoire à basse température et compression statique se poursuit. Des études sont également en cours sur le deutérium. Shahriar Badiei et Leif Holmlid de l’Université de Göteborg ont montré en 2004 que les états métalliques condensés constitués d’atomes d’hydrogène excités (matière de Rydberg) sont des promoteurs efficaces de l’hydrogène métallique.

Expérience de chauffage par laser pulsé, 2008Edit

Le maximum théoriquement prévu de la courbe de fusion (la condition préalable à l’hydrogène métallique liquide) a été découvert par Shanti Deemyad et Isaac F. Silvera en utilisant un chauffage par laser pulsé. Le silane moléculaire riche en hydrogène (SiH
4) a été déclaré métallisé et supraconducteur par M.I. Eremets et al.. Cette affirmation est contestée et leurs résultats n’ont pas été répétés.

Observation de l’hydrogène métallique liquide, 2011Edit

En 2011, Eremets et Troyan ont rapporté avoir observé l’état métallique liquide de l’hydrogène et du deutérium à des pressions statiques de 260 à 300 GPa (2 600 000 à 3 000 000 atm). Cette affirmation a été remise en question par d’autres chercheurs en 2012.

Z machine, 2015Edit

En 2015, des scientifiques de l’installation de puissance pulsée Z ont annoncé la création de deutérium métallique à l’aide de deutérium liquide dense, une transition isolant-conducteur électrique associée à une augmentation de la réflectivité optique.

Observation revendiquée de l’hydrogène métallique solide, 2016Edit

Le 5 octobre 2016, Ranga Dias et Isaac F. Silvera de l’Université Harvard ont publié des allégations de preuves expérimentales selon lesquelles de l’hydrogène métallique solide avait été synthétisé en laboratoire à une pression d’environ 495 gigapascals (4 890 000 atm; 71 800 000 psi) à l’aide d’une cellule d’enclume en diamant. Ce manuscrit était disponible en octobre 2016, et une version révisée a ensuite été publiée dans la revue Science en janvier 2017.

Dans la version préimprimée du papier, Dias et Silvera écrivent:

Avec une pression croissante, nous observons des changements dans l’échantillon, allant du transparent au noir en passant par un métal réfléchissant, ce dernier étudié à une pression de 495 GPa… la réflectance en utilisant un modèle d’électrons libres Drude pour déterminer la fréquence du plasma de 30,1 eV à T = 5,5 K, avec une densité de porteurs d’électrons correspondante de 6.7×1023 particules/cm3, conformes aux estimations théoriques. Les propriétés sont celles d’un métal. De l’hydrogène métallique solide a été produit en laboratoire.

— Dias & Silvera (2016)

Silvera a déclaré qu’ils n’avaient pas répété leur expérience, car d’autres tests pourraient endommager ou détruire leur échantillon existant, mais a assuré à la communauté scientifique que d’autres tests arriveraient. Il a également déclaré que la pression serait éventuellement relâchée, afin de savoir si l’échantillon était métastable (c.-à-d., s’il persisterait dans son état métallique même après la libération de la pression).

Peu de temps après la publication de l’affirmation dans Science, la division des nouvelles de la nature a publié un article indiquant que d’autres physiciens considéraient le résultat avec scepticisme. Récemment, des membres éminents de la communauté de la recherche sur la haute pression ont critiqué les résultats revendiqués, remettant en question les pressions revendiquées ou la présence d’hydrogène métallique aux pressions revendiquées.

En février 2017, il a été signalé que l’échantillon d’hydrogène métallique revendiqué avait été perdu, après que les enclumes en diamant qu’il contenait se soient brisées.

En août 2017, Silvera et Dias ont publié un erratum à l’article Scientifique, concernant les valeurs de réflectance corrigées en raison des variations entre la densité optique des diamants naturels sollicités et les diamants synthétiques utilisés dans leur cellule d’enclume de diamant de pré-compression.

En juin 2019, une équipe du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Commissariat à l’Énergie Atomique &) a affirmé avoir créé de l’hydrogène métallique à environ 425GPa à l’aide d’une cellule à enclume diamantée à profil toroïdal produite à l’aide d’un usinage par faisceau d’électrons

Expériences sur du deutérium fluide à l’Installation Nationale d’Allumage, 2018modifier

En août 2018, les scientifiques ont annoncé de nouvelles observations concernant la transformation rapide du deutérium fluide d’une forme isolante à une forme métallique inférieure à 2000 K. Un accord remarquable est trouvé entre les données expérimentales et les prédictions basées sur des simulations quantiques de Monte Carlo, qui devraient être la méthode la plus précise à ce jour. Cela pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les planètes gazeuses géantes, telles que Jupiter, Saturne et les exoplanètes apparentées, car on pense que ces planètes contiennent beaucoup d’hydrogène métallique liquide, qui peut être responsable de leurs puissants champs magnétiques observés.