C'est une première mondiale. Trois chercheurs ont observé de l'hydrogène sous forme métallique au synchrotron Soleil, sur le plateau de Saclay. Le plus simple et le plus abondant atome de l'univers, soumis à une pression extraordinaire, a changé d'état. Opaque à toute lumière, il serait passé sous forme métallique.

Florent Occelli, Paul Loubeyre et Paul Dumas
Florent Occelli, Paul Loubeyre et Paul Dumas © Synchroton SOLEIL

C'est une idée émise il y a 80 ans par le Prix Nobel Eugene Wigner :  à très haute pression, l'hydrogène (normalement isolant) se comporte comme un métal conducteur. Le scientifique britannique supposait à l'époque que ce changement de phase se produisait à 250 000 fois l'atmosphère terrestre. Depuis 1935, plusieurs équipes scientifiques ont tenté d'atteindre cet état en laboratoire. Sans qu'aucune n'ait jusqu'ici réussi à convaincre la communauté de physiciens. Pas même l'expérience publiée dans Science en 2017, qui semblait prometteuse.

Le comportement de l'hydrogène est particulièrement étudié parce qu'il est l'élément le plus simple et le plus abondant de l'Univers. Sous sa forme métallique, il est d'ailleurs au cœur de planètes comme Jupiter ou Saturne. Depuis plusieurs années, au synchrotron Soleil, trois chercheurs français travaillent à relever le défi de produire la transition de phase. Ils viennent d'y parvenir et publient leur résultat dans la revue Nature.

Voici leur recette : ils ont enfermé dans une petite cavité un échantillon d'hydrogène, l'élément le plus simple et le plus abondant de l'Univers, sous sa forme solide. Pour faire monter la pression dans l'enceinte (déjà à 1400 bars), ils ont utilisé deux enclumes de diamant, l'hydrogène étant pris en étau entre les deux. À 4,25 millions d'atmosphères, soit plus que la pression au centre de la Terre, l'hydrogène s'est déchiré. Les électrons de l'atome se sont séparés de l'attraction des protons. Devenus libres de leur mouvement, ils ont acquis la propriété de conduire l'électricité. Comme le fait un métal.

Deux enclumes de diamant super résistantes

L'avancée de cette équipe - et la raison pour laquelle elle pense avoir fait mieux que d'autres avant elle, c'est qu'elle a développé des presses de diamant super résistantes "taillées avec une forme bien spécifique afin de casser le plafond de verre qui existait dans les pressions maximales atteignables jusque là" explique Paul Louveyre, chercheur à la direction des applications militaires au CEA.

La mesure de conductivité du métal n'a pas été menée directement. C'est de façon indirecte, sans toucher l'échantillon, que les scientifiques ont travaillé. Ils ont utilisé la lumière du synchrotron Soleil, qui a la particularité d'être concentrée et "bien dirigée" explique Paul Dumas, chercheur au synchrotron. Après un an de mise au point d'un instrument, il a été possible "d'éclairer" de façon ultra précise l'échantillon, parce que la lumière infra rouge agit comme un révélateur du comportement des molécules de la matière. "Il a été possible de voir la densité d'électrons générés dans un matériau en train de passer à un état métallique." De transparent, il est devenu totalement opaque, au point que toute lumière était réfléchie, preuve que les électrons avaient changé de comportement. À -190°C, l'hydrogène s'est comporté comme le ferait le métal : en réfléchissant la lumière.

Conduire l’électricité sans perte ou développer un carburant spatial

Les perspectives de cette découverte sont majeures. À l'état métallique, l'hydrogène s'avère supraconducteur et pourrait donc conduire l'électricité sans perte. À l'état liquide, il s'écoule sans frottement, ce qui en ferait un bon candidat pour un carburant spatial. À condition de l'obtenir à température et pression ambiante. Avant cela, ce sont des propriétés fondamentales qui intéressent les physiciens : la formation et le fonctionnement des planètes ou bien encore la modélisation des propriétés quantiques des deux particules simples que sont l'électron et le proton. À l'état solide, contrairement à ce qui était prédit, "l'hydrogène est très complexe", précise Paul Loubeyre, qui ajoute que "les théories approximatives qu'on utilise pour décrire les matériaux ne sont pas totalement opérationnelles pour l'hydrogène".

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