Une étape décisive vers l'hydrogène métallique Résumé des épisodes précédents... En 1935, en s'appuyant sur les lois de la physique quantique, le prix Nobel Eugene Wigner prédit que l'hydrogène porté à très haute pression pourrait devenir métallique. Depuis 85 ans, plusieurs laboratoires à travers le monde tentent ainsi de franchir les 4 millions d'atmosphères nécessaires à la transformation de ce gaz. Un objectif de taille puisqu'il s'agit de dépasser la pression qui règne... au centre de la Terre. Le 29 janvier 2020, pourtant, la revue Nature annonçait que trois chercheurs français étaient probablement parvenus pour la première fois à transformer l'hydrogène en métal. Nous les avons rencontrés sur le lieu même de leur exploit, au synchrotron Soleil, dans le sud de Paris. "Notre expérience était d'essayer d'observer la métallisation de l'hydrogène. L'hydrogène est un gaz qui, quand on le comprime, devient un solide moléculaire. Et puis, en montant en pression, les molécules vont de plus en plus être confinées, et, à un moment donné, les électrons vont sortir des molécules et ça va former un métal. Il y a eu plusieurs annonces de métallisation de l'hydrogène. Mais, à chaque fois, ça n'a pas été confirmé. C'était un peu la limite des pressions qu'on pouvait atteindre. Ces dix dernières années, en fait, plusieurs équipes étaient bloquées à une pression qui était en-dessous de 4 millions d'atmosphères. Et, en fait, la communauté, pas seulement sur l'hydrogène, buttait sur cette pression-là, qui était la pression limite qu'on pouvait atteindre avec une cellule à enclume de diamant classique. On a cherché à dépasser cette limite. C'est comme ça qu'on a développé un nouveau type d'enclume qui nous a permis d'aller au-dessus des 4 millions d'atmosphères." Une enclume de diamant... C'est effectivement avec cet outil que les chercheurs espèrent aujourd'hui obtenir les plus hautes pressions. Il s'agit en fait de créer un effet de pointe entre deux diamants, l'hydrogène étant confiné au sein d'un joint métallique. Le diamant présente bien des qualités. Il est dur, étanche et transparent, ce qui permet de réaliser des mesures optiques, mais il a aussi des défauts : il casse ! Et pour le rendre moins fragile, il faut jouer sur sa géométrie. "Au début de la technique, les physiciens prenaient des diamants taillés en brillant standard de joaillerie sur lesquels la pointe très fine avait été taillée en plat. Il s'est avéré que, en dessous de 200 microns, l'échantillon se déstabilisait. D'autres collègues ont trouvé le moyen de tailler un biseau à 7-8 degrés pour arriver à stabiliser ces échantillons, et là le plat qui demeurait quand même permettait de tutoyer la barre des 400 GPa. Mais là, il y avait un plafond de verre, et il a fallu donc que, dans notre laboratoire, nous inventions cette forme de diamant à géométrie toroïdale qui a été taillée en utilisant un "Focused ion beam", c'est-à-dire un système de plasma très fin qui permet de faire du micro-usinage, pour arriver à créer cette forme et arriver à faire aboutir ce projet." Obtenir une très haute pression constitue un premier défi. Mais comment s'assurer dans le même temps que l'hydrogène se transforme bien en métal ? "Une des mesures possibles, c'est de mettre quatre petits fils et de mesurer quand l'hydrogène conduit l'électricité. Mais là, ça demande de mettre des petits fils dans un échantillon qui fait quelques microns, et en plus un échantillon qui va énormément se déformer, donc, ces petits fils peuvent bouger, se toucher, donc on n'est pas sûr que l'on fait une bonne mesure. Et puis l'hydrogène devient très réactif dans ce domaine de pression, on n'est pas sûr qu'il n'attaque pas aussi les fils, et qui fait que c'est ça la conduction. Donc nous, on a voulu faire une mesure qui ne perturbait pas l'échantillon. Une solution, c'est d'utiliser la lumière pour mesurer le caractère conducteur de l'échantillon." "Le moyen identifié pour faire cette analyse – et non intrusif –, c'était d'utiliser des photos infrarouges, et plus particulièrement, des photons infrarouges émis par le rayonnement synchrotron. Pourquoi ? Pour deux raisons. La première raison, c'est que ces photons émis étaient directionnels et donc pouvait être focalisés en nombre suffisant pour passer à travers cet échantillon qui est de l'ordre de 5 millièmes de millimètre. Donc sa taille est petite, et donc il fallait avoir suffisamment de flux de photons pour aller sonder la matière qui se trouvait au milieu. Ça c'est la première chose. Et le deuxième aspect que le synchrotron nous apporte, c'est une grande stabilité temporelle et spatiale de façon à ce que rien dans l'analyse que nous faisions pouvait être attribué à un artefact. Il y a une troisième propriété essentielle aussi qui était importante, c'était la stabilité en intensité que les nouvelles générations de synchrotrons produisent de façon à avoir une stabilité également de l'intensité de la mesure pendant des jours. Et ça, c'était le troisième élément qui était important dans cette analyse." Lors de l'expérience, l'hydrogène initialement transparent est censé devenir opaque à partir d'une certaine pression. C'est une indication indirecte de son passage à l'état métallique. "Donc, c'est exactement ce qu'on a mesuré : à 4,2 millions d'atmosphères, il y a eu une discontinuité, et l'échantillon est devenu noir. Et quand l'échantillon devient noir comme ça, qu'est-ce qui vous dit que vous avez encore de l'hydrogène ? Qu'il n'y a pas eu une réaction, etc. ? Donc il était vraiment crucial de faire la manip' inverse. Et donc, on a pu redescendre, et les mesures, en redescendant, ont été parfaitement réversibles. Si bien qu'on a pu redescendre quasi à la pression ambiante, et là, les enclumes sont restées intactes ! C'est à dire que le diamant s'est magnifiquement déformé jusqu'à de la plus haute pression et est resté élastique. C'est pour ça qu'on a réussi à faire de très belles mesures de cette fréquence du diamant jusqu'à très très haute pression. Là, l'hydrogène que l'on mesure est métallique, mais on pense qu'il a encore gardé sa forme moléculaire. Donc c'était une prédiction aussi qui n'était pas si claire, c'est que les gens pensaient que, quand l'hydrogène allait devenir métallique, les électrons partaient, les molécules se cassaient. En fait, avec les progrès des calculs, ces vingt dernières années, il y a eu la prédiction qu'en fait il pouvait y avoir une phase métallique dans laquelle les hydrogènes restaient des molécules. Et en fait, c'est exactement ce qu'on a observé. On n'a pas des mesures directes de ça, mais des indications indirectes, et le métal atomique, il faudra aller sûrement dans les 5 millions d'atmosphères pour l'avoir." Cette débauche d'énergie pour atteindre un objectif aussi inaccessible pose question : Quel enjeu existe-t-il en définitive autour de l'hydrogène métallique ? "C'est un système très fondamental qui pousse un peu les techniques expérimentales et théoriques. C'est-à-dire que la description de ce système-là, il n'y a aucune théorie qui peut décrire précisément les propriétés de l'hydrogène. C'est un système le plus difficile à comprimer et le fait qu'on démontre, que dans le domaine des 4,5 millions d'atmosphères, on fait des mesures infrarouges sur la qualité des mesures de la pression ambiante dans un domaine qui était inexploré, ça ouvre des perspectives pour explorer des tas de propriétés des autres matériaux. Et puis c'est aussi important parce que les propriétés de l'hydrogène qu'on regarde à très basse température, à très forte pression et densité, où les effets quantiques sont importants, ces propriétés de l'hydrogène, elles existent aussi au centre des planètes et des exoplanètes, là où l'hydrogène est fluide parce que chaud, mais aussi il est très dense. Et donc, il y a des effets quantiques qui sont aussi difficiles à décrire et donc si on les comprend parce qu'on fait des mesures plus fines dans le solide à basse température et pression peut-être moins haute, à 4 millions d'atmosphères, elles existent à 50-100 millions d'atmosphères à des températures même de 5000-6000 K. Et en plus, les propriétés de l'hydrogène sont assez spectaculaires. Donc, cet hydrogène métallique, c'est un peu le matériau ultime. Il stocke une énergie chimique phénoménale. Il n'y a pas d'autre système chimique qui stocke une telle énergie. C'est un supraconducteur à température ambiante, donc il n'y a pas de système qui conduise l'électricité sans résistance à température ambiante. C'est un peu le rêve de la technique des matériaux. Et puis il a des propriétés encore exotiques comme la mobilité du proton. Donc, en fait, ce serait un matériau un peu spectaculaire, si on l'avait à pression ambiante." Ce premier résultat n'est donc qu'une étape. Au printemps prochain, l'équipe tentera de monter plus haut en pression afin d'obtenir de l'hydrogène métallique atomique, et pas seulement moléculaire. L'occasion peut-être de mettre en évidence l'une de ses propriétés extraordinaires, comme sa supraconductivité possible à température ambiante. La suite au prochain épisode...
