Les métaux élémentaires forment généralement des éléments simples, structures cristallines compactes. Bien que le lithium (Li) soit considéré comme un métal simple typique, sa structure cristalline à pression ambiante et à basse température reste inconnue.

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont récemment mis au point une technique pour obtenir des informations structurelles sur Li dans des conditions où les méthodes cristallographiques traditionnelles sont insuffisantes. En utilisant cette méthodologie, un puzzle de plusieurs décennies peut enfin être résolu.

Le Li est le métal le plus léger et l'élément solide le moins dense aux conditions ambiantes. Li et ses composés ont plusieurs applications industrielles, y compris le verre et la céramique résistants à la chaleur, lubrifiants à base de graisse au lithium, additifs de flux pour le fer, production d'acier et d'aluminium, batteries au lithium et batteries lithium-ion. Ces usages consomment plus des trois quarts de la production de lithium.

"La supraconductivité des métaux alcalins, et Li, est une question débattue depuis de nombreuses années, " dit Stanimir Bonev, LLNL auteur principal d'un article paru dans une édition récente de Actes de l'Académie nationale des sciences . "Ce n'est que récemment que la supraconductivité dans le Li à pression ambiante a été observée. Mais pour comprendre les propriétés supraconductrices, il est essentiel de connaître la structure cristalline."

En complément des méthodes cristallographiques, l'équipe du LLNL a proposé des mesures des oscillations du moment magnétique du cristal dans un champ magnétique externe. L'équipe a effectué une analyse théorique montrant que le spectre des résonances d'oscillation est assez distinctif pour différentes structures de Li. Une comparaison avec les données expérimentales existantes indique que la phase basse température du Li est incompatible avec la structure 9R (neuf couches d'empilement hexagonale) précédemment attribuée.

Le Li a des propriétés très intéressantes à haute pression. Lorsqu'il est comprimé à basse température, sa température critique supraconductrice augmente - de 0,4 millikelvin à pression ambiante à 20 kelvins à environ 500, 000 atmosphères de pression. Puis il se transforme en semi-conducteur, puis à nouveau en un métal à plus haute pression, mais avec une structure très complexe.

Pendant des années, les scientifiques ont essayé de comprendre le comportement étrange du lithium. Théoriquement, il y a plusieurs structures qui sont très proches en énergie. Pour déterminer avec certitude lequel d'entre eux a l'énergie la plus basse absolue, et est donc la structure d'équilibre, nécessite une grande précision dans les calculs. À la fois, en raison de sa masse atomique légère, la dynamique des atomes de Li est importante même à basse température, ce qui rend encore plus difficile l'obtention d'une telle précision.

Sur le plan expérimental, car Li est un élément à faible Z, il a une réponse relativement faible aux rayons X et aux neutrons, qui sont les méthodes traditionnelles pour déterminer la structure cristalline. La transition vers la phase à basse température est progressive et elle casse également l'échantillon monocristallin.

Dans un échantillon polycristallin, il est possible d'avoir un mélange de plusieurs phases. Par conséquent, les mesures de diffusion (rayons X et neutrons) peuvent et ont été interprétées de différentes manières.

"Il est difficile d'identifier de manière concluante quelle est la structure avec ces seules autres méthodes, " a déclaré Bonev. " Il n'y a que quelques pics de diffraction bien prononcés et ils correspondent à plusieurs structures différentes. Les mesures deviennent bien sûr plus difficiles à haute pression. Avec la méthode que nous proposons, ces difficultés sont contournées."

La recherche apparaît dans l'édition du 23 mai de PNAS .