Selon les prédictions de la physique de la matière condensée, à une pression suffisamment élevée, l'hydrogène devrait se dissocier et se transformer en un métal atomique. Cependant, la plage de pression exacte à laquelle cela se produit n'a pas encore été établie, et le processus par lequel l'hydrogène devient un métal est encore quelque peu obscur.

Dans une étude récente, des chercheurs de l'Institut de chimie Max Planck ont ​​démontré qu'à une pression de 350-360 GPa et à des températures inférieures à 200K, l'hydrogène moléculaire commence à conduire et devient semi-métallique. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , fournit de nouvelles informations intéressantes sur la transition de l'hydrogène à haute pression, dévoiler certaines des propriétés qu'elle acquiert.

"Typiquement, l'hydrogène métallique est considéré comme de l'hydrogène atomique - un cristal construit à partir de protons après dissociation des molécules, " Mikhaïl Eremets, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, l'hydrogène peut aussi se transformer en métal à l'état moléculaire - dans ce cas, les bandes électroniques du cristal d'hydrogène moléculaire s'élargissent et finissent par se chevaucher de sorte que la bande interdite se ferme, des électrons libres et des trous apparaissent - c'est l'état métallique."

L'état initial dans lequel les bandes électroniques du cristal d'hydrogène moléculaire se chevauchent est connu sous le nom de semi-métal. Dans cet état, le métal a une mauvaise conductivité, car le nombre de porteurs est faible. Si la pression augmente encore, cependant, ce métal faiblement conducteur se transforme en un métal normal et finalement en hydrogène atomique.

"Notre objectif était de trouver la pression à laquelle apparaît la conductivité électrique métallique, et s'il en résulte un métal moléculaire ou atomique, " a déclaré Eremets. " Nous avons donc effectué des mesures électriques, car c'est la seule méthode qui nous indique directement si l'hydrogène est conducteur et s'il s'agit d'un métal. Un métal conduit généralement aux températures les plus basses; un semi-conducteur peut également conduire, mais à des températures plus basses, la conductivité diminue et disparaît de façon exponentielle."

Dans leurs expériences, les chercheurs ont rassemblé des mesures Raman jusqu'à 480 GPa pour identifier les changements qui se produisent dans l'hydrogène à différentes pressions. Ils ont découvert que l'hydrogène commençait à conduire à des pressions supérieures à 360 GPa, mais il est resté un semi-métal jusqu'à 440 GPa.

Pour collecter les mesures Raman, les chercheurs ont utilisé de petits DAC avec des diamants synthétiques. Ces diamants ont une luminescence extrêmement faible même à des pressions d'environ 500 GPa. Pour les mesures électriques, d'autre part, ils ont utilisé quatre fils électriques pulvérisés sur des enclumes de diamant, qui étaient isolés du joint métallique par une couche isolante.

Globalement, les mesures qu'ils ont recueillies ont montré que l'hydrogène semi-métallique observé dans leurs expériences est à l'état moléculaire. Ces découvertes confirment ainsi leur hypothèse selon laquelle l'hydrogène devient un métal dans son état moléculaire.

"Au-dessus de 360 ​​GPa, conductivité électrique fortement augmentée avec la pression, " a expliqué Eremets. " La conductivité n'a pas diminué de façon exponentielle avec le refroidissement, indiquant que l'hydrogène n'est pas un semi-conducteur. D'autre part, ce n'est pas un bon métal, car la conductivité n'augmente que légèrement avec le refroidissement. Un tel comportement est typique des semi-métaux tels que le bismuth ou des semi-métaux induits par la pression tels que l'oxygène ou le xénon."

Globalement, les mesures recueillies par Eremets et ses collègues prouvent que l'hydrogène semi-métallique reste à l'état moléculaire au moins jusqu'à une pression de 440 GPa. Lorsque la pression dépasse 440GPa, cependant, le signal Raman émis par l'hydrogène disparaît, ce qui suggère qu'une nouvelle transformation est en cours.

"La réalisation des pressions requises au-dessus de 350 GPa est une tâche difficile, " a déclaré Eremets. " Cela dépend d'un certain nombre de facteurs, premier, de la géométrie des enclumes. Nous avons effectué de nombreuses tentatives pour atteindre les pressions de plusieurs mégabars. Cependant, nous avons obtenu des données reproductibles."

L'étude récente menée par Eremets et ses collègues démontre clairement qu'au-dessus de ~360 GPa, l'hydrogène se transforme en un semi-métal dans son état moléculaire. Cependant, cette substance semi-métallique présente un comportement inhabituel, ce qui n'est pas aligné avec les prédictions théoriques communes de l'hydrogène métallique étant dans un état atomique. Au contraire, les chercheurs ont observé que l'hydrogène se transforme en une substance semi-métallique dans son état moléculaire.

"Nos résultats devraient stimuler d'autres travaux théoriques et expérimentaux sur la compréhension de la transformation complexe de l'hydrogène en métal, " A déclaré Eremets. "Nous prévoyons maintenant d'étendre nos mesures électriques à des pressions plus élevées et de trouver la supraconductivité dans l'hydrogène métallique."

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