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Transformer l’hydrogène en métal

En 1935, le physicien Eugene Wigner prédisait qu’en portant l’hydrogène à très haute pression il serait possible de le transformer en métal. Plus de 80 ans ont passé et le défi de l’hydrogène métallique n’a toujours pas été relevé. Paul Loubeyre, Florent Occelli (CEA) et Paul Dumas (Synchrotron Soleil) s’y attellent comme plusieurs autres équipes dans le monde.

À lire également : « Transformer l’hydrogène en métal : la prouesse d’une équipe française » (Le blob, 29 janvier 2020).

Réalisation : Olivier Boulanger

Production : Universcience

Année de production : 2018

Durée : 7min00

Accessibilité : sous-titres anglais, sous-titres français

Transformer l’hydrogène en métal

Dans les méandres d’un grand centre scientifique de la région parisienne, Paul Loubeyre, Paul Dumas et Florent Occelli s’affairent depuis quatre jours autour d’un curieux dispositif. Des cryostats, des microscopes, des interféromètres... difficile de cerner l’objet de leur recherche. Et pour cause, celui-ci se cache... ...ici, au sein de cette cellule hermétique. Il s’agit d'un banal échantillon d’hydrogène, l’élément le plus simple et le plus présent dans l’Univers. Or, en portant ce gaz à très haute pression, les chercheurs espèrent obtenir... ... de l’hydrogène métallique. Un exploit encore jamais réalisé et qui constituerait une révolution dans le domaine de la physique. Transformer l’hydrogène en métal... C’est au prix Nobel Eugene Wigner que l’on doit cette idée saugrenue. En 1935, en s’appuyant sur les lois de la physique quantique, il prédit que cette état pourrait être atteint vers 250 000 atmosphères, soit 250 000 fois la pression atmosphérique. On estime aujourd'hui qu’il faudra porter l’hydrogène à une pression bien importante : plus de 4,5 millions d’atmosphères, une pression plus forte encore que celle qui règne au centre de la Terre. Pour atteindre une telle pression, l’équipe de Paul Loubeyre a recours, non pas à une pompe, mais à une enclume. Et pas n’importe laquelle : une enclume de diamant ! "Le principe est de jouer sur un rapport de force. C’est un effet de pointe. On vient comprimer l’hydrogène entre deux pointes de diamant. Et l’hydrogène est confiné dans un trou dans une feuille métallique. Ça a deux avantages : c’est que la feuille métallique confine latéralement l'hydrogène, et puis la déformation du joint métallique fait la compression de l’hydrogène. Donc la pression est générée par cette membrane qui se gonfle avec de l’hélium, qui vient pousser ce piston, c’est ça qui fait la force, il y a une grande surface, et la pression exercée sur cette grande surface s’applique sur cette petite pointe de diamant. Là, on ne la voit pas, mais cette pointe fait 20 microns, c’est comme si vous mettiez en gros la Tour Eiffel dans la paume de votre main, c’est à peu près pareil." Le problème, c’est que, soumis à de telles pressions, les diamants se déforment et et finissent par casser. L’un des grands enjeux est ainsi d'optimiser la forme des enclumes afin qu’elles soient suffisamment résistantes. "Actuellement, on est monté de l’ordre de 3,5 millions d'atmosphères. On sait, qu’avec une autre forme de diamant, on va pouvoir aller plus haut parce qu’on l’a déjà fait sur un matériau qui était peu compressible comme l'or. Maintenant, il faut faire ça sur un matériau très compressible comme l’hydrogène, qui en plus diffuse un tout petit peu dans le champ métallique même à basse température dont fragilise un peu ce joint métallique. C’est vraiment les enjeux actuellement des très hautes pressions sur l’hydrogène." Confiné dans sa cellule hermétique, l’hydrogène est difficilement accessible. Et pour connaître son état moléculaire, les chercheurs ont besoin d'une lumière infrarouge à la fois précise et puissante. Et ça tombe bien ! Car l’expérience se déroule au sein du Synchrotron Soleil, un instrument géant capable de produire ce précieux flux de photons. En accélérant des électrons à une vitesse proche de celle de la lumière, le synchrotron génère un faisceau lumineux 10 000 fois plus intense que le Soleil, et dans de nombreuses longueurs d'onde utiles aux scientifiques. Grâce à un système optique installé dans le laboratoire, le précieux faisceau infrarouge peut ainsi être récupéré et redirigé vers l'enclume de diamant. Après avoir traversé l’échantillon d’hydrogène, il est analysé par spectrométrie. "Quand on éclaire notre échantillon d’hydrogène avec le synchrotron infrarouge, on récupère tout ce qui passe à travers la cellule entre 1 micron et 10 microns. Ce qu’on espère voir, c’est d'abord l’absorption de ce côté-là, – ça veut dire que l’hydrogène change, la liaison s’affaiblit – et l’hydrogène va commencer à se dissocier pour former un métal atomique. Et puis un moment, le gap va se fermer, et puis un moment donné, ça va devenir complètement opaque, et si c’est métallique, on aura une absorption totale. Voilà, c’est ce qu’on veut mesurer, mais il faut aller à 4.5 millions d'atmosphères, et c'est l’enjeu de cette manip." Un enjeu de taille car selon les hypothèses actuelles, l’hydrogène métallique présenterait des propriétés étonnantes. À température ordinaire, il pourrait être supraconducteur et donc conduire l’électricité sans aucune perte. Dans sa forme liquide, il pourrait être super fluide et donc s’écouler sans aucun frottement. Et en concentrant énormément d’énergie, il pourrait constituer un combustible de choix notamment pour l’industrie spatiale. Mais pour la physique fondamentale, il représente avant tout un état de la matière encore inexploré. Cet enjeu scientifique fait que, très régulièrement, des équipes annoncent avoir réussi le pari de l’hydrogène métallique. Des travaux jusqu’à présent remis en cause par la communauté scientifique comme ceux publiés en 2017 dans la revue Science où une équipe de Harvard déclarait avoir obtenu cet état, – photos à l’appui ! – à une pression de 4,95 millions d’atmosphères. "Il y a plusieurs problèmes dans ce papier. La pression donnée est beaucoup trop élevée pour le type de diamant utilisé. Il y a un problème peut-être de mesures parasites, avec cette couche protectrice qui s’est décomposée. Et puis... c’est une première mesure, pas reproductible, avec peu de mesures sur l’hydrogène. Donc, il faut qu'ils refassent une mesure montrant le chemin de l'hydrogène pour atteindre cet état-là. À ce moment-là, on pourra comparer à ce que nous on fait, se recaler, et voir si leur chemin est le même, et surtout si les pressions sont crédibles." Si le Graal de l’hydrogène métallique n'a pas encore été atteint, les quelques laboratoires actuellement en course, – en France, en Allemagne, en Grande-Bretagne ou encore aux États-Unis – semblent désormais tout près de la réussite : une histoire de quelques années, sinon de quelques mois. "Il y a deux-trois ans, il y avait un mur de verre en physique des hautes pressions. Toutes les expériences, pas seulement sur l’hydrogène, sur tout, sur les métaux... butaient vers 4 millions l'atmosphères. Et là, on a réussi, il y a un an et demi, à monter à 6 millions d’atmosphères. Et surtout, on a réussi à charger ces types d’enclumes en hydrogène. Malheureusement, la forme d’enclume qu’on a mise au point pour les métaux n’est pas tout à fait adaptée à celle pour l'hydrogène et depuis un an et demi, on a successivement des essais, on voit ce qui ne va pas, on change un petit peu... on progresse ! Là, on avait quatre cellules chargées. Les deux premières ont cassé vers 3 millions d’atmosphères. On a une autre forme qu’on va tester, si on couvre le domaine 3-4 millions d’atmosphère, on sera très contents. Et on fera mieux la prochaine fois !"

Réalisation : Olivier Boulanger

Production : Universcience

Année de production : 2018

Durée : 7min00

Accessibilité : sous-titres anglais, sous-titres français