Près d'un siècle après sa théorisation, Les scientifiques de Harvard ont réussi à créer les matériaux les plus rares - et potentiellement l'un des plus précieux - de la planète.

Le matériau - l'hydrogène métallique atomique - a été créé par le professeur Thomas D. Cabot des sciences naturelles Isaac Silvera et le boursier post-doctoral Ranga Dias. En plus d'aider les scientifiques à répondre à des questions fondamentales sur la nature de la matière, le matériau est théorisé pour avoir un large éventail d'applications, y compris comme supraconducteur à température ambiante. La création du matériau rare est décrite dans un article du 26 janvier publié dans Science .

"C'est le Saint Graal de la physique des hautes pressions, " dit Silvera. " C'est le tout premier échantillon d'hydrogène métallique sur Terre, alors quand tu le regardes, vous regardez quelque chose qui n'a jamais existé auparavant."

Pour le créer, Silvera et Dias ont pressé un petit échantillon d'hydrogène à 495 gigapascals, ou plus de 71,7 millions de livres par pouce carré - supérieur à la pression au centre de la Terre. A ces pressions extrêmes, Silvera a expliqué, l'hydrogène moléculaire solide - qui se compose de molécules sur les sites du réseau du solide - se décompose, et les molécules étroitement liées se dissocient pour se transformer en hydrogène atomique, qui est un métal.

Alors que les travaux offrent une nouvelle fenêtre importante pour comprendre les propriétés générales de l'hydrogène, il offre également des conseils alléchants sur de nouveaux matériaux potentiellement révolutionnaires.

"Une prédiction très importante est que l'hydrogène métallique devrait être métastable, " Silvera a dit. " Cela signifie que si vous enlevez la pression, il restera métallique, similaire à la façon dont les diamants se forment à partir du graphite sous une chaleur et une pression intenses, mais reste un diamant lorsque cette pression et cette chaleur sont supprimées."

Comprendre si le matériau est stable est important, Silvera a dit, parce que les prédictions suggèrent que l'hydrogène métallique pourrait agir comme un supraconducteur à température ambiante.

"Ce serait révolutionnaire, " Il a dit. " Jusqu'à 15 pour cent de l'énergie est perdue à cause de la dissipation pendant la transmission, donc si vous pouviez faire des fils à partir de ce matériau et les utiliser dans le réseau électrique, cela pourrait changer cette histoire."

Parmi le Saint Graal de la physique, un supraconducteur à température ambiante, Dias a dit, pourrait changer radicalement notre système de transport, rendre possible la lévitation magnétique des trains à grande vitesse, ainsi que de rendre les voitures électriques plus efficaces et d'améliorer les performances de nombreux appareils électroniques.

Le matériau pourrait également apporter des améliorations majeures dans la production et le stockage d'énergie - parce que les supraconducteurs ont une résistance nulle, l'énergie pourrait être stockée en maintenant les courants dans les bobines supraconductrices, et ensuite être utilisé en cas de besoin.

Bien qu'il ait le potentiel de transformer la vie sur Terre, l'hydrogène métallique pourrait également jouer un rôle clé en aidant les humains à explorer les confins de l'espace, comme le propulseur de fusée le plus puissant jamais découvert.

"Il faut une énorme quantité d'énergie pour fabriquer de l'hydrogène métallique, " expliqua Silvera. " Et si vous le reconvertissez en hydrogène moléculaire, toute cette énergie est libérée, donc cela en ferait le propulseur de fusée le plus puissant connu de l'homme, et pourrait révolutionner les fusées."

Les carburants les plus puissants utilisés aujourd'hui sont caractérisés par une "impulsion spécifique" - une mesure, en secondes, de la vitesse à laquelle un propergol est tiré depuis l'arrière d'une fusée - de 450 secondes. L'impulsion spécifique pour l'hydrogène métallique, par comparaison, est théoriquement égal à 1, 700 secondes.

"Cela vous permettrait facilement d'explorer les planètes extérieures, " a déclaré Silvera. " Nous serions capables de mettre des fusées en orbite avec un seul étage, contre deux, et pourrait envoyer des charges utiles plus importantes, donc ça peut être très important."

Pour créer le nouveau matériau, Silvera et Dias se sont tournés vers l'un des matériaux les plus durs sur Terre - le diamant.

Mais plutôt que le diamant naturel, Silvera et Dias ont utilisé deux petits morceaux de diamant synthétique soigneusement polis qui ont ensuite été traités pour les rendre encore plus résistants, puis montés l'un en face de l'autre dans un dispositif connu sous le nom de cellule à enclume de diamant.

"Les diamants sont polis avec de la poudre de diamant, et qui peut extraire le carbone de la surface, " a déclaré Silvera. "Quand nous avons regardé le diamant en utilisant la microscopie à force atomique, nous avons trouvé des défauts, ce qui pourrait le faire s'affaiblir et se casser."

La solution, il a dit, était d'utiliser un processus de gravure ionique réactive pour raser une minuscule couche - seulement cinq microns d'épaisseur, ou environ un dixième d'un cheveu humain - de la surface du diamant. Les diamants ont ensuite été recouverts d'une fine couche d'alumine pour empêcher l'hydrogène de se diffuser dans leur structure cristalline et de les fragiliser.

Après plus de quatre décennies de travail sur l'hydrogène métallique, et près d'un siècle après sa première théorisation, voir le matériel pour la première fois, Silvera a dit, était passionnant.

"C'était vraiment excitant, " dit-il. " Ranga menait l'expérience, et nous avons pensé que nous pourrions y arriver, mais quand il m'a appelé et m'a dit, 'L'échantillon brille, ' Je suis allé en courant là-bas, et c'était de l'hydrogène métallique.

"J'ai tout de suite dit qu'il fallait faire les mesures pour le confirmer, alors nous avons réorganisé le labo... et c'est ce que nous avons fait, " a-t-il dit. " C'est un accomplissement formidable, et même s'il n'existe que dans cette cellule à enclume diamant à haute pression, c'est une découverte très fondamentale et transformatrice."