Cette coupe illustre une maquette de l'intérieur de Jupiter, avec un noyau rocheux recouvert d'une couche profonde d'hydrogène métallique liquide. Crédit :Kelvinsong/Wikimedia Commons
Les scientifiques ont longtemps spéculé qu'au cœur d'une géante gazeuse, les lois de la physique des matériaux présentent des caractéristiques remarquables. Dans ces types d'environnements de pression extrême, l'hydrogène gazeux est comprimé au point de devenir un métal. Pendant des années, les scientifiques ont cherché un moyen de créer synthétiquement de l'hydrogène métallique en raison des applications infinies qu'il offrirait.
Maintenant, la seule façon connue de le faire est de comprimer les atomes d'hydrogène à l'aide d'une enclume en diamant jusqu'à ce qu'ils changent d'état. Et après des décennies de tentatives (et 80 ans depuis qu'il a été théorisé pour la première fois), une équipe de scientifiques français a peut-être enfin créé de l'hydrogène métallique en laboratoire. Bien qu'il y ait beaucoup de scepticisme, il y a beaucoup dans la communauté scientifique qui croient que cette dernière affirmation pourrait être vraie.
L'étude décrivant leur expérience, intitulé "Observation d'une transition de phase de premier ordre vers l'hydrogène métallique près de 425 GPa, " est apparu récemment sur le serveur de préimpression arXiv. L'équipe était composée de Paul Dumas, Paul Loubeyre, et Florent Occelli, trois chercheurs de la Division des applications militaires (DAM) du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives et du centre de recherche Synchrotron SOLEIL.
Comme ils l'indiquent dans leur étude, il est incontestable que "l'hydrogène métallique doit exister, " grâce aux règles du confinement quantique. Concrètement, ils indiquent que si les électrons d'un matériau sont suffisamment restreints dans leur mouvement, ce que l'on appelle la "fermeture de la bande interdite" finira par avoir lieu. En bref, tout matériau isolant (comme l'oxygène) devrait devenir un métal conducteur s'il est suffisamment pressurisé.
Ils expliquent également comment deux avancées ont rendu leur expérience possible. Le premier concerne la configuration de l'enclume en diamant qu'ils ont utilisée, qui avait des pointes de diamant toroïdales (en forme de beignet) au lieu de pointes plates. Cela a permis à l'équipe de dépasser la limite de pression précédente établie par d'autres enclumes de diamant (400 GPa) et d'atteindre 600 Gpa.
Vue aérienne de l'installation Synchrotron SOLEIL. Crédit :C. Kermarrec/Synchrotron SOLEIL
La deuxième innovation concernait un nouveau type de spectromètre infrarouge que l'équipe de recherche a elle-même conçu au Synchrotron SOLEIL, qui leur a permis de mesurer l'échantillon. Une fois que leur échantillon d'hydrogène a atteint des pressions de 425 GPa et des températures de 80 K (-193 °C; -316 °F), ils ont signalé qu'il a commencé à absorber tout le rayonnement infrarouge, indiquant ainsi qu'ils avaient "fermé la bande interdite".
Ces résultats ont suscité leur juste part de critiques et de scepticisme, en grande partie parce que les revendications précédentes de la synthèse de l'hydrogène métallique se sont avérées fausses ou peu concluantes. En outre, cette dernière étude n'a pas encore été évaluée par des pairs, et l'expérience validée par d'autres physiciens.
Cependant, l'équipe française et ses résultats expérimentaux ont de puissants alliés. Une personne est Maddury Somayazulu, professeur agrégé de recherche au Laboratoire national d'Argonne qui n'a pas participé à cette étude. Comme il l'a dit dans une interview avec Gizmodo, "Je pense que c'est vraiment une découverte digne d'un prix Nobel. Ça l'a toujours été, mais cela représente probablement l'un des travaux les plus propres et les plus complets sur l'hydrogène pur."
Somayazulu a également déclaré qu'il connaissait très bien l'auteur principal de l'étude, Paul Dumas, " et que Dumas est un " scientifique incroyablement prudent et systématique. " Un autre physicien qui a parlé positivement de cette dernière expérience est Alexander Gontcharov, un scientifique du Carnegie Institute for Science's Geophysical Laboratory.
En haut :images microscopiques des étapes de l'expérience 2017 de Dias et Silvera. Crédit :Isaac Silvera ; En bas :Les images de scène fournies par Dumas (et al.), l'image centrale montrant la formation d'hydrogène métallique. Crédit :Loubeyre et al (arXiv 2019)
En 2017, il a exprimé des doutes lorsqu'une équipe de recherche du Lyman Laboratory of Physics de l'Université Harvard a affirmé avoir créé de l'hydrogène métallique en utilisant un processus similaire. Mais comme Gontcharov a dit à Gizmodo de cette dernière expérience, "Je pense que l'article contient de bonnes preuves de la fermeture de la bande interdite dans l'hydrogène. Certaines interprétations sont incorrectes et certaines données pourraient être meilleures, mais j'espère généralement que c'est valable."
En tant que matériau synthétique, l'hydrogène métallique aurait également des applications infinies. Tout d'abord, on pense qu'il a des propriétés supraconductrices à température ambiante, et est méta-stable (c'est-à-dire qu'il conservera sa solidité une fois revenu à la pression normale). Ces propriétés le rendraient incroyablement utile en électronique.
Ce serait également une aubaine pour les scientifiques engagés dans la recherche et la physique des hautes énergies, comme celle actuellement menée au CERN. En plus de tout ça, cela permettrait aux astrophysiciens, Pour la toute première fois, d'étudier les conditions à l'intérieur des planètes géantes sans avoir à envoyer des sondes pour les explorer.
A cet égard, l'hydrogène métallique ressemble beaucoup à la fusion froide. Étant donné les immenses gains, quiconque prétend l'avoir atteint sera naturellement confronté à des questions difficiles. Tout ce que nous pouvons faire, c'est espérer que les dernières expériences ont été couronnées de succès, et soit célébrer ou attendre la prochaine tentative.
