Les physiciens et les spécialistes des matériaux tentent de métalliser l’hydrogène depuis de nombreuses décennies, mais ils n’y sont pas encore parvenus. En 1968, le physicien britannique Neil Ashcroft a prédit que l’hydrogène métallique atomique serait un semi-conducteur à haute température.
Les études les plus récentes ont également suggéré que cette forme insaisissable et hypothétique d’hydrogène conduirait également l’électricité sans résistance lorsque sa température dépasse celle de l’eau bouillante. Cette prédiction a finalement ouvert la voie à la découverte de la supraconductivité à haute température dans les hydrures (c’est-à-dire des composés contenant de l’hydrogène et un métal).
Des chercheurs de l’Université Sapienza de Rome, de l’Université de la Sorbonne, du CNRS et de l’École internationale d’études avancées (SISSA) ont récemment mené une étude visant à caractériser en profondeur le comportement et les propriétés de l’hydrogène à haute pression. Leur article, publié dans Physique naturelledécrit un diagramme de phase très précis de l’hydrogène à haute pression, qui pourrait éclairer les efforts en cours visant à créer de l’hydrogène métallique atomique.
« Les laboratoires les plus avancés du monde tentent de synthétiser de l’hydrogène métallique atomique stable en comprimant des molécules d’hydrogène dans des cellules à enclume de diamant jusqu’à des pressions des millions de fois supérieures à la pression atmosphérique », a déclaré Lorenzo Monacelli, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys. .org. « Cependant, la liaison covalente H2 est l’une des plus fortes de la chimie, et la pression requise pour rapprocher suffisamment les noyaux d’hydrogène pour rompre la liaison moléculaire est bien plus élevée que prévu. « Notre travail rationalise les dernières découvertes expérimentales et rapporte la détermination la plus précise. du diagramme de phase de l’hydrogène à haute pression. »
Étudier de manière fiable le comportement et les propriétés de l’hydrogène à haute pression est une tâche difficile, car les expériences nécessaires sont difficiles à réaliser, tandis que les outils de simulation standard donnent souvent des résultats peu fiables. Monacelli et ses collègues ont utilisé des outils informatiques avancés pour créer un diagramme de phase de l’hydrogène et du deutérium à basses températures et hautes pressions.
« A une pression aussi élevée, de nombreuses phases moléculaires différentes sont stables », a expliqué Michele Casula, une autre chercheuse impliquée dans cette étude. « Il est paradoxal et fascinant de découvrir à quel point le diagramme de phase est complexe malgré la simplicité de sa brique élémentaire, constituée uniquement d’un proton et d’un électron. En un sens, c’est un exemple particulièrement significatif de la célèbre devise de Phill Anderson : « Plus c’est différent.' »
L’hydrogène solide est entièrement composé d’électrons libres et de protons qui interagissent les uns avec les autres. Un défi crucial lorsque l’on tente de simuler l’hydrogène est que le comportement quantique de ces deux types de particules crée des interactions complexes.
« Le comportement quantique des électrons et des protons est différent, car chaque proton pèse environ 2 000 fois l’électron », a déclaré Casula. « Dans notre travail, nous avons utilisé la » meilleure « méthode pour résoudre le problème électronique (c’est-à-dire les simulations quantiques de Monte Carlo) et la meilleure approche pour résoudre les effets quantiques du proton, à savoir l’approximation harmonique auto-cohérente stochastique. »
En utilisant ces techniques de calcul de pointe, les chercheurs ont pu créer l’un des diagrammes de phase les plus précis de l’hydrogène à haute pression à ce jour. Plus précisément, ils ont montré que la phase d’hydrogène métallique atomique expérimentalement insaisissable devrait se former à 577(4) GPa, après une autre étape au cours de laquelle l’hydrogène moléculaire passe d’une phase métallique (appelée phase III) à une autre phase dans laquelle l’hydrogène est métallique et encore moléculaire (phase VI).
« La caractérisation complète de ce matériau à des pressions ultra-élevées fournies par nos travaux suggère que la phase atomique, supposée être un supraconducteur à température ambiante, doit être recherchée expérimentalement à des pressions beaucoup plus élevées que celles suggérées précédemment », a expliqué Casula. « De plus, notre étude a permis l’interprétation de résultats expérimentaux récents en contradiction apparente, car les chercheurs peuvent indirectement sonder la structure cristalline à des pressions aussi élevées. »
Le nouveau diagramme de phase de l’hydrogène à haute pression calculé par cette équipe de chercheurs suggère que l’hydrogène commence à acquérir des propriétés métalliques au fur et à mesure que la pression augmente. Cela montre également pourquoi les expériences précédentes n’ont peut-être pas réussi à atteindre l’hydrogène métallique atomique, à savoir parce que les pressions testées dans les expériences n’étaient pas assez élevées.
Dans leur article, Monacelli, Casula et leurs collègues présentent également une caractérisation spectroscopique complète et exhaustive de l’hydrogène. Avec le diagramme de phase qu’ils ont créé, cette caractérisation pourrait éclairer les futurs efforts de recherche visant à observer l’hydrogène dans sa phase métallique atomique.
« Notamment, nous avons prédit un déplacement isotopique net pour les pressions de transition, mesuré et confirmé très récemment », a ajouté Monacelli. « Nous nous concentrons maintenant sur l’étude des propriétés supraconductrices de l’hydrogène à haute pression. Ce problème est passionnant et présente des défis critiques, car la théorie actuelle de la supraconductivité basée sur l’interaction entre les vibrations du réseau (phonons) et les électrons manque certains aspects cruciaux présents dans l’hydrogène. et les hydrures. »
Monacelli et Casula ont souligné que la théorie actuelle de la supraconductivité ne tient pas compte des fortes propagations anharmoniques des phonons, du couplage non linéaire entre les phonons et les électrons et de l’interaction dynamique entre les électrons et les noyaux rapides (c’est-à-dire l’approximation « adiabatique »). En collaboration avec leurs collègues, ils visent à élaborer une nouvelle théorie qui considère collectivement tous ces phénomènes. De plus, les chercheurs prévoient maintenant de créer des caractérisations détaillées d’autres hydrures supraconducteurs en utilisant les mêmes outils de calcul utilisés dans leur étude récente.
Plus d’information:
Lorenzo Monacelli et al, Diagramme de phase quantique de l’hydrogène à haute pression, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-01960-5
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