« Hydrogène métallique » : différence entre les versions
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L''''hydrogène métallique''' est une [[Phase (thermodynamique)|phase]] de l'[[hydrogène]] qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte [[pression]] |
L''''hydrogène métallique'''<ref>{{article |langue=fr |prénom=William J. |nom=Nellis |titre=L'hydrogène métallique |périodique=[[Pour la science]] |numéro=273 |titre numéro=L'hydrogène métallique |date=juillet 2000 |lire en ligne=http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-l-hydrogene-metallique-27655.php |format=php |consulté le=29 mai 2016}}.</ref> est une [[Phase (thermodynamique)|phase]] de l'[[hydrogène]] qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte [[pression]]. C'est un exemple de [[matière dégénérée]]. |
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Il est estimé qu'il y a un intervalle de pressions (autour de {{unité|400 GPa}}) tel que l'hydrogène métallique est [[liquide]], même à de très basses températures<ref>{{Article|langue=en|prénom1=N. W.|nom1=Ashcroft|titre=The hydrogen liquids|périodique=[[Journal of Physics: Condensed Matter]]|volume=12|numéro=8A|date=2000-01-01|issn=0953-8984|doi=10.1088/0953-8984/12/8A/314|lire en ligne=http://stacks.iop.org/0953-8984/12/i=8A/a=314|consulté le=2017-01-31|pages=A129}}.</ref>{{,}}<ref>{{en}} Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T. et Galli, G., [http://www.nature.com/nature/journal/v431/n7009/full/nature02968.html A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations], ''Nature'', 431, 669 (2004).</ref>. |
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L'hydrogène métallique consiste en un [[Treillis (assemblage)|treillis]] de [[noyau atomique|noyaux atomiques]], |
L'hydrogène métallique consiste en un [[Treillis (assemblage)|treillis]] de [[noyau atomique|noyaux atomiques]], des [[proton]]s, dont l'espacement est significativement plus petit que le [[rayon de Bohr]]. En effet, l'espacement est davantage comparable à une [[longueur d'onde]] d'[[électron]] (voir [[hypothèse de De Broglie]]). Ces électrons ne sont pas liés et se comportent donc comme les électrons d'un [[métal]] [[conducteur (physique)|conducteur]]. |
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L'hydrogène métallique pourrait présenter des [[transition de phase|transitions de phase]] en présence d'un [[champ magnétique]], passant d'un [[supraconductivité|état supraconducteur]] à un [[superfluidité|état superfluide]] et vice versa<ref>{{article|auteur1=E. Babaev|auteur2=A. Sudbø |auteur3=N.W. Ashcroft|année=2004|titre=A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen|lang=en|journal=[[Nature (revue)|Nature]]|volume=431|page=666|doi=10.1038/nature02910|arxiv = cond-mat/0410408|bibcode = 2004Natur.431..666B|numéro=7009}}.</ref>. |
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==Histoire== |
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== Histoire == |
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===Prédiction des annnées 1930=== |
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=== Prédiction des années 1930 === |
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[[Image:EugeneWignerAlvinWeinberg.jpg|thumb|Eugene Wigner (à gauche) et Alvin Weinberg]] |
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[[Image:EugeneWignerAlvinWeinberg.jpg|thumb|Eugene Wigner (à gauche) et Alvin Weinberg.]] |
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Bien que l'hydrogène soit tout en haut du [[tableau périodique des éléments|tableau périodique]], au sommet de la colonne des [[métal alcalin|métaux alcalins]], il n'en est pas un, ''sous des conditions normales''. En [[1935]], le futur lauréat du [[prix Nobel]] [[Eugene Wigner]] a prédit que sous des conditions de [[pression]] immense, les [[atome]]s d'hydrogène rejoindraient leur groupe du tableau périodique, délaissant ainsi leur lien étroit avec leur [[électron]]. |
Bien que l'hydrogène soit tout en haut du [[tableau périodique des éléments|tableau périodique]], au sommet de la colonne des [[métal alcalin|métaux alcalins]], il n'en est pas un, ''sous des conditions normales''. En [[1935]], le futur lauréat du [[prix Nobel]] [[Eugene Wigner]] a prédit, avec [[Hillard Bell Huntington|H. B. Huntington]], que sous des conditions de [[pression]] immense, les [[atome]]s d'hydrogène rejoindraient leur [[groupe du tableau périodique]], délaissant ainsi leur lien étroit avec leur [[électron]]<ref>{{en}} E. Wigner et H. B. Huntington, [https://dx.doi.org/10.1063/1.1749590 ''On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen''], ''J. Chem. Phys.'', 3, 764 (1935).</ref>. |
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La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles. De plus, leurs prédictions sur la pression nécessaire n'étaient pas assez élevées<ref>{{en}} P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao et L. W. Finger, [http://www.nature.com/nature/journal/v383/n6602/abs/383702a0.html ''X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures''], ''Nature'', 383, 702 (1996).</ref>. |
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La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles. |
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=== Recherche contemporaine === |
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===Découverte=== |
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Les expériences de [[production d'hydrogène]] métallique continuent en laboratoire. En [[1998]], [[Arthur Ruoff]] et [[Chandrabhas Narayana]] de l'[[université Cornell]]<ref>{{en}} C. Narayana, H. Luo, J. Orloff et A. L. Ruoff, [http://www.nature.com/nature/journal/v393/n6680/abs/393046a0.html ''Solid hydrogen at {{unité|342 GPa}}: no evidence for an alkali metal''], ''Nature'', 393, 46-49 (1998).</ref> et, en [[2002]], [[Paul Loubeyre]] et [[René LeToullec]] du [[Commissariat à l'énergie atomique]] en France, ont prouvé qu'à des pressions proches de celles régnant au [[Noyau terrestre|centre de la Terre]] ({{nb|3,2 à 3,4 millions}} d'atmosphères) et des températures de {{nb|100 à 300 K}}, l'hydrogène n'est toujours pas un [[métal]] [[Base (chimie)|alcalin]]. La recherche pour observer l'hydrogène métallique en laboratoire continue, plus de {{nb|70 ans}} après que son existence a été prévue. |
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=== 1996 === |
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En mars [[1996]], des chercheurs du [[Lawrence Livermore National Laboratory]] ont rapporté avoir produit de l'hydrogène métallique, une découverte par pure [[sérendipité]]. Pendant environ une [[microseconde]], des [[température]]s de milliers de [[kelvin]]s et des pressions de millions d'[[pression atmosphérique|atmosphères]] ont produit de l'hydrogène métallique identifiable, concluant ainsi 60 années de recherches. Le métal ainsi produit ne se comporte pas comme un métal alcalin. |
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En {{date|mars 1996}}, des chercheurs du [[Laboratoire national de Lawrence Livermore]] ont rapporté avoir produit de l'hydrogène métallique<ref>{{en}} S. T. Weir, A. C. Mitchell et W. J. Nellis, [http://link.aps.org/abstract/PRL/v76/p1860 ''Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at {{unité|140 GPa}} ({{unité|1.4 Mbar}})''], ''Physical Review Letters'', 76, 1860 - 1863 (1996).</ref>, par [[sérendipité]]. Pendant environ une [[microseconde]], des [[température]]s de milliers de [[kelvin]]s et des pressions de millions d'[[pression atmosphérique|atmosphères]] (supérieures à {{unité|100 GPa}}) aurait produit de l'hydrogène métallique identifiable. Le métal ainsi produit ne se comporte pas comme un métal alcalin. |
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==== Contexte ==== |
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Les chercheurs de l'équipe du Lawrence Livermore ne comptaient pas produire de l'hydrogène métallique, car ils n'employaient pas l'hydrogène solide, censé être nécessaire, et ils travaillaient au-dessus des températures indiquées par la [[théorie de la métallisation]]. En outre, dans les études précédentes selon lesquelles de l'hydrogène solide a été comprimé à l'intérieur d'[[Cellule à enclumes de diamant|enclumes de diamant]] à des pressions allant jusqu'à {{nb|2,5 millions}} d'atmosphères (environ {{unité|253 GPa}}), aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de [[Conductivité électrique|conductivité]] qu'elle prévoyait. |
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==== Détails expérimentaux ==== |
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Les expériences de production d'hydrogène métallique continuent en laboratoire. En [[1998]], [[Arthur Ruoff]] et [[Chandrabhas Narayana]] de l'[[université Cornell]] et, en [[2002]], [[Paul Loubeyre]] et [[René LeToullec]] du [[Commissariat à l'énergie atomique]] en France, ont prouvé qu'à des pressions proches de celles régnant au [[Noyau (planète)|centre de la Terre]] (3,2 à 3,4 millions d'atmosphères) et des températures de 100 à 300 K, l'hydrogène n'est toujours pas un métal alcalin. La recherche pour observer l'hydrogène métallique en laboratoire continue, plus de 70 ans après que son existence ait été prévue. |
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Les chercheurs ont employé des [[Canon à gaz léger|canons à gaz léger]] (utilisés à l'origine dans des études de [[missile|missiles guidés]] des [[années 1960]]) pour tirer sur une plaque à impacts placée dans un récipient scellé contenant un échantillon d'hydrogène liquide épais d'un demi-[[millimètre]]. D'abord, à une extrémité du pistolet, l'hydrogène a été refroidi environ à {{nb|20 K}} à l'intérieur d'un récipient qui contient une batterie reliée par des fils à un [[enroulement de Rogowski]] et à un [[oscilloscope]] ; les fils touchent également la surface de l'hydrogène à plusieurs endroits, ainsi l'appareil peut être utilisé pour mesurer et enregistrer sa [[conductivité électrique]]. À l'extrémité opposée, jusqu'à {{nb|3 kg}} de [[poudre à canon|poudre]] sont mis à feu. L'explosion résultante pousse le piston d'une pompe et comprime le gaz à l'intérieur. Par la suite le gaz atteint une pression assez élevée pour ouvrir une valve à l'extrémité opposée de la chambre. En pénétrant le « baril » mince, il a propulsé la plaque à impacts en métal recouverte de plastique dans le récipient à une vitesse de {{nb|8 km/s}}, comprimant l'hydrogène à l'intérieur. |
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==== Résultats ==== |
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Les scientifiques ont été étonnés de constater que, quand la pression atteint {{unité|1.4|million}} d'atmosphères ({{unité|142 GPa}}), la [[largeur de la bande interdite]] de l'énergie électronique (une mesure de résistivité électrique) tombe presque à zéro. |
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Les chercheurs de l'équipe du ''Lawrence Livermore'' ne comptaient pas produire de l'hydrogène métallique, car ils n'employaient pas l'hydrogène solide, censé être nécessaire, et ils travaillaient au-dessus des températures indiquées par la [[théorie de la métallisation]]. En outre, dans les études précédentes selon lesquelles de l'hydrogène solide a été comprimé à l'intérieur d'[[enclume de diamant|enclumes de diamant]] à des pressions allant jusqu'à 2,5 millions d'atmosphères, aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de [[Conductivité électrique|conductivité]] qu'elle prévoyait. |
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L'espace de bande d'énergie électronique de l'hydrogène dans son état non comprimé est d'environ {{nb|15 [[électron-volt|eV]]}}, faisant de lui un [[isolant électrique|isolant]], mais à mesure que la pression augmente, la largeur de la bande interdite tombe graduellement à {{nb|0,3 eV}}. Puisque {{nb|0,3 eV}} sont fournis par l'énergie thermique du fluide (la température est montée à environ {{nb|3000 K}} à cause de la compression de l'échantillon), l'hydrogène peut à ce moment être entièrement considéré comme métallique. |
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====Détails expérimentaux==== |
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Les chercheurs ont employé des [[pistolet à gaz léger|pistolets à gaz léger]] (utilisés à l'origine dans des études de [[missile|missiles guidés]] des [[années 1960]]) pour tirer sur une plaque à impacts placée dans un récipient scellé contenant un échantillon d'hydrogène liquide épais d'un demi-[[millimètre]]. D'abord, à une extrémité du pistolet, l'hydrogène a été refroidi environ à 20 K à l'intérieur d'un récipient qui contient une batterie reliée par des fils à un [[enroulement de Rogowski]] et à un [[oscilloscope]] ; les fils touchent également la surface de l'hydrogène à plusieurs endroits, ainsi l'appareil peut être utilisé pour mesurer et enregistrer sa [[conductivité électrique]]. À l'extrémité opposée, jusqu'à 3 [[kilogramme|kg]] de [[poudre à canon|poudre]] sont mis à feu. L'explosion résultante pousse le piston d'une pompe, comprimant le gaz à l'intérieur. Par la suite le gaz atteint une pression assez élevée pour ouvrir une valve à l'extrémité opposée de la chambre. En pénétrant le "baril" mince, il a propulsé la plaque à impacts en métal recouverte de plastique dans le récipient à une vitesse de 8 km/s, comprimant l'hydrogène à l'intérieur. |
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=== 2011 === |
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En 2011, Eremets et Troyan ont annoncé avoir identifié l'état liquide métallique de l'hydrogène ([[protium]]) et du [[deutérium]] à des [[pression statique|pressions statiques]] de {{unité|2600000-3000000|atm}} ({{unité|263,445-303,975|GPa}})<ref> |
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Les scientifiques ont été étonnés de constater que, quand la pression atteint 1,4 million d'atmosphères, la [[largeur de la bande interdite]] de l'énergie électronique (une mesure de résistivité électrique) tombe presque à zéro. |
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{{article|langue=en |
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|nom1=Eremets |prénom1=M. I. |
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|nom2=Troyan|prénom2=I. A. |
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|année=2011 |
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|titre=Conductive dense hydrogen |
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|journal=[[Nature Materials]] |
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|volume=10 |numéro=12 |pages=927–931 |
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|bibcode=2011NatMa..10..927E |
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|doi=10.1038/nmat3175 |
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}}.</ref>. L'annonce est mise en doute par d'autres chercheurs en 2012<ref> |
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{{lien arXiv|langue=en |
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|nom1=Nellis |prénom1=W. J. |
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|nom2=Ruoff |prénom2=A. L. |
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|nom3=Silvera |prénom3=I. S. |
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|année=2012 |
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|titre=Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? |
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|eprint=1201.0407 |
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}} |
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<!--|class=cond-mat.other--> |
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{{commentaire biblio|{{"|{{lang|en|no evidence for MH}}}} |
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}}</ref>{{,}}<ref> |
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{{article|langue=en |
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|nom1=Amato |prénom1=I. |
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|année=2012 |
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|titre=Metallic hydrogen: Hard pressed |
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|journal=[[Nature (revue)|Nature]] |
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|volume=486 |numéro=7402 |pages=174–176 |
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|bibcode=2012Natur.486..174A |
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|doi=10.1038/486174a |
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<!--|doi-access=free--> |
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}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article|langue=en|prénom1=M. D.|nom1=Knudson|prénom2=M. P.|nom2=Desjarlais|prénom3=A.|nom3=Becker|prénom4=R. W.|nom4=Lemke|prénom5=K. R.|nom5=Cochrane|prénom6=M. E.|nom6=Savage|prénom7=D. E.|nom7=Bliss|prénom8=T. R.|nom8=Mattsson|prénom9=R.|nom9=Redmer|titre=Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium|périodique=Science|volume=348|numéro=6242|date=2015-06-26|issn=0036-8075|issn2=1095-9203|pmid=26113719|doi=10.1126/science.aaa7471|consulté le=2017-02-07|pages=1455–1460}}.</ref>. |
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=== 2015 === |
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L'espace de bande d'énergie électronique de l'hydrogène dans son état non comprimé est d'environ 15 [[électron-volt|eV]], faisant de lui un [[isolant]], mais à mesure que la pression augmente, la largeur de la bande interdite tombe graduellement à 0,3 eV. Puisque 0,3 eV sont fournis par l'énergie thermique du fluide (la température est montée à environ 3 000 K à cause de la compression de l'échantillon), l'hydrogène peut à ce moment être entièrement considéré comme métallique. |
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En 2015, la découverte de deutérium métallique par la [[Z machine]] est annoncée<ref> |
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{{article |
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|langue=en |
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|titre=Z machine puts the squeeze on metallic deuterium |
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|url=https://www.chemistryworld.com/research/z-machine-puts-the-squeeze-on-metallic-deuterium/8689.article |
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|journal=Chemistry World |
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|issn=1473-7604 |
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|date=25 juin 2015 |
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| prénom=Matthew |
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| nom=Gunther |
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|consulté le=4 avril 2018 |
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}}.</ref>. |
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=== 2017 === |
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[[Isaac Silvera]] et [[Ranga Dias]], de l'[[université Harvard]], ont affirmé avoir obtenu de l'hydrogène métallique en utilisant des [[Cellule à enclumes de diamant|enclumes de diamant]] à une pression de {{unité|495|GPa}}. Cette étude a été publiée dans ''[[Science (revue)|Science]]'' le {{date-|26 janvier 2017}}<ref>{{Article|langue=en|prénom1=Ranga P.|nom1=Dias|prénom2=Isaac F.|nom2=Silvera|titre=Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen|périodique=Science|date=2017-01-26|issn=0036-8075|issn2=1095-9203|pmid=28126728|doi=10.1126/science.aal1579|lire en ligne=http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/25/science.aal1579|consulté le=2017-02-01}}.</ref> mais est mise en doute par d'autres équipes travaillant dans le même domaine de recherche<ref>{{Article |auteur1=David Larousserie |titre=Des chercheurs émettent des doutes quant à la découverte d’un « Graal » de la physique |périodique=[[Le Monde]] |date=27-01-2017 |lire en ligne=https://www.lemonde.fr/physique/article/2017/01/27/des-chercheurs-emettent-des-doutes-quant-a-la-decouverte-d-un-graal-de-la-physique_5069818_1650706.html}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article|langue=en|prénom1=Davide|nom1=Castelvecchi|titre=Physicists doubt bold report of metallic hydrogen|périodique=Nature|doi=10.1038/nature.2017.21379|lire en ligne=http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature.2017.21379|date=26 janvier 2017}}.</ref>. |
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[[Image:Jupiter gany.jpg|thumb|right|Jupiter]] |
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=== 2018 === |
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L'hydrogène métallique est présent en énormes quantités à l'intérieur de [[Jupiter (planète)|Jupiter]], [[Saturne (planète)|Saturne]] et certaines [[exoplanète]]s. L'intérieur de ces planètes est sujet à d'importantes forces de compression [[gravitation]]nelles. |
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Une équipe franco-américaine signale qu'elle aurait réussi, par utilisation de 168 faisceaux laser permettant une pression égale à cinq millions de fois celle de notre atmosphère, à rendre l'hydrogène métallique<ref>{{Article|langue=fr|titre=Bombarder l’hydrogène le rend métallique|périodique=[[Le Monde]] | date=27 août 2018 | prénom=David |nom=Larousserie |lire en ligne=https://www.lemonde.fr/sciences/article/2018/08/27/bombarder-l-hydrogene-le-rend-metallique_5346514_1650684.html|consulté le=2018-08-29}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article|langue=en|prénom1=Peter M.|nom1=Celliers|prénom2=Marius|nom2=Millot|prénom3=Stephanie|nom3=Brygoo|prénom4=R. Stewart|nom4=McWilliams|titre=Insulator-metal transition in dense fluid deuterium|périodique=Science|volume=361|numéro=6403|date=2018-08-17|issn=0036-8075|issn2=1095-9203|pmid=30115805|doi=10.1126/science.aat0970|lire en ligne=http://science.sciencemag.org/content/361/6403/677|consulté le=2018-08-29|pages=677–682}}.</ref>. |
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=== 2020 - 2022 === |
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Les modèles de l'intérieur de ces planètes avaient pris pour acquis que l'hydrogène se métallifiait à de plus hautes pressions que celles ayant été découvertes subséquemment. Par conséquent, le noyau métallique de Jupiter est plus près de la surface que prévu et son [[champ magnétique]], le plus fort de toutes les planètes du [[système solaire]], est donc produit également plus près de la surface que prévu. |
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En utilisant une [[cellule à enclumes de diamant]] spécialement façonnée pour atteindre des valeurs de pression supérieures à 400 GPa, l'équipe de Paul Loubeyre au [[Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives|CEA]] (France) obtient à {{unité|80 K}} et {{unité|425 GPa}} une [[transition de phase]] réversible de l'hydrogène solide, caractérisée par un changement brusque de l'[[absorbance]] [[infrarouge]]. Il s'agit très probablement de la transition vers l'hydrogène métallique, mais le dispositif expérimental ne permet pas de mesurer la [[conductivité électrique]] pour le confirmer<ref>{{article| langue=en| titre=A milestone in the hunt for metallic hydrogen| auteur=Serge Desgreniers| périodique=[[Nature (revue)|Nature]]| volume=577| pages=626-627| date=29 janvier 2020| doi=10.1038/d41586-020-00149-7}}.</ref>{{,}}<ref>{{article| langue=en| titre=Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen| auteur1=Paul Loubeyre| auteur2=Florent Occelli| auteur3=Paul Dumas| périodique=[[Nature (revue)|Nature]]| volume=577| pages=631-635| date=29 janvier 2020| doi=10.1038/s41586-019-1927-3}}.</ref>{{,}}<ref>[https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/la-methode-scientifique-emission-du-mercredi-26-fevrier-2020 « Hydrogène métallique : le heavy métal français »], ''La Méthode scientifique'', [[France Culture]], 26 février 2020.</ref>. En 2022, la même équipe publie les résultats d'expériences similaires sur le [[deutérium]] mettant une évidence une pression de métallisation de 460 GPa, plus élevée que dans le cas de l'hydrogène du fait de l'[[effet isotopique à l'équilibre|effet isotopique]]<ref>{{Article|prénom1=Paul|nom1=Loubeyre|prénom2=Florent|nom2=Occelli|prénom3=Paul|nom3=Dumas|titre=Compression of D2 to 460 GPa and Isotopic Effects in the Path to Metal Hydrogen|périodique=Physical Review Letters|volume=129|numéro=3|date=2022-07-12|doi=10.1103/PhysRevLett.129.035501|lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.035501|consulté le=2022-07-29|pages=035501}}</ref>. |
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== Astrophysique == |
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[[Image:Portrait of Jupiter from Cassini.jpg|vignette|Mosaïque de [[Jupiter (planète)|Jupiter]] en vraies couleurs réalisée à partir de photographies prises par la [[sonde Cassini-Huygens|sonde Cassini]].]] |
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L'hydrogène métallique serait présent en énormes quantités à l'intérieur de [[Jupiter (planète)|Jupiter]], [[Saturne (planète)|Saturne]] et certaines [[exoplanète]]s. L'intérieur de ces planètes est sujet à d'importantes forces de compression [[gravitation]]nelles. |
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====Recherche sur la fusion nucléaire==== |
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Les modèles de l'intérieur de ces planètes avaient tenu pour acquis que l'hydrogène se métallifiait à de plus hautes pressions que celles ayant été découvertes subséquemment. Par conséquent, le noyau métallique de Jupiter est plus près de la surface que prévu et son [[champ magnétique]], le plus fort de toutes les planètes du [[système solaire]], est donc produit également plus près de la surface que prévu. |
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== Applications == |
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=== Recherche sur la fusion nucléaire === |
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Une façon de produire la [[fusion nucléaire]] est de focaliser des [[laser]]s sur des morceaux d'[[isotope]]s d'hydrogène. Une meilleure compréhension du comportement de l'hydrogène dans des conditions extrêmes pourrait aider à augmenter le rendement énergétique de ce procédé. |
Une façon de produire la [[fusion nucléaire]] est de focaliser des [[laser]]s sur des morceaux d'[[isotope]]s d'hydrogène. Une meilleure compréhension du comportement de l'hydrogène dans des conditions extrêmes pourrait aider à augmenter le rendement énergétique de ce procédé. |
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=== Production d'hydrogène métallique === |
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Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. |
Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. De même que le [[diamant]] est une transformation du [[graphite]] par compression qui ne se retransforme que difficilement par décompression (car la retransformation nécessiterait énormément d'énergie), une théorie prévoit l'existence d'une forme d'hydrogène, appelée « hydrogène métallique [[Métastabilité|métastable]] », qui ne reviendrait que difficilement à son état d'hydrogène normal lorsque décompressé. Avec la [[limite d'élasticité]] de l'[[aluminium]] et un tiers de sa [[densité]], cette forme d'hydrogène pourrait être utilisée pour fabriquer des [[automobile]]s très légères avec une haute [[Efficacité énergétique (thermodynamique)|efficacité énergétique]]<ref>{{lien web|url=http://www.gizmodo.com.au/2016/01/physicists-appear-to-be-closing-in-on-an-elusive-state-of-metallic-hydrogen/|archive-url=https://web.archive.org/web/20170211125202/http://www.gizmodo.com.au/2016/01/physicists-appear-to-be-closing-in-on-an-elusive-state-of-metallic-hydrogen/|archive-date=11/02/17|titre=Physicists Appear To Be Closing In On An Elusive State Of Metallic Hydrogen|date=11 janvier 2016}}.</ref>. |
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De plus, il pourrait être utilisé lui-même comme [[carburant]]. Assez propre, il n'aurait que de l'eau comme produit de combustion. Il est neuf fois plus dense que l'hydrogène normal et produirait une énergie considérable lorsqu'il reprendrait cette forme. Brûlé plus rapidement, il serait un carburant cinq fois plus efficace que la combinaison [[hydrogène|hydrogène liquide]] et [[oxygène|oxygène liquide]] qu' |
De plus, il pourrait être utilisé lui-même comme [[carburant]]. Assez propre, il n'aurait que de l'eau et de l'oxyde d'azote comme produit de combustion. Il est neuf fois plus dense que l'hydrogène normal et produirait une énergie considérable lorsqu'il reprendrait cette forme.{{Citation nécessaire}} Brûlé plus rapidement, il serait un carburant cinq fois plus efficace que la combinaison [[hydrogène|hydrogène liquide]] et [[oxygène|oxygène liquide]] qu'utilisait la [[navette spatiale]]. L'hydrogène métallique produit ne l'a été que trop brièvement pour qu'on puisse déterminer sa métastabilité<ref>{{en}} William J. Nellis, [http://www.llnl.gov/tid/lof/documents/pdf/244531.pdf ''Metastable Metallic Hydrogen Glass''], Lawrence Livermore Preprint (1996).</ref>. |
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Une théorie veut que l'hydrogène métallique soit un [[supraconductivité|supraconducteur]] à la température normale d'une pièce ({{nb|290 K}}). Cela est beaucoup plus élevé que pour tout autre candidat à la supraconductivité<ref>{{en}} [http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1968PhRvL..21.1748A&db_key=PHY&data_type=HTML&format= ''Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?''], [[Physics Abstract Service]].</ref>{{,}}<ref>{{en}} ''[http://physicsweb.org/articles/world/14/4/2 New metallic superconductor makes an immediate impact]'', ''{{lien|Physics World}}''.</ref>. |
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À moins que l'hydrogène métallique puisse rester métastable à température ambiante, comme le prédisait le physicien des fluides Neil William Ashcroft, il est douteux qu'on puisse en tirer des applications industrielles. La pression nécessaire pour le maintenir sous forme métallique est très difficile à mettre en œuvre, le rendant bien moins intéressant que d'autres supraconducteurs dont il suffit de maintenir la température basse. |
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Une théorie veut que l'hydrogène solide soit un [[supraconductivité|supraconducteur]] à des températures aussi hautes que la température normale d'une pièce (290 K). Ceci est beaucoup plus élevé que pour tout autre candidat à la supraconductivité.<ref>[http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1968PhRvL..21.1748A&db_key=PHY&data_type=HTML&format= Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?] du [[Physics Abstract Service]]</ref> <ref>[http://physicsweb.org/articles/world/14/4/2 New metallic superconductor makes an immediate impact] de ''[[Physics World]]''</ref> |
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En 2016, le [[Carnegie Institution for Science]] semble avoir fait de nouvelles découvertes portant sur un composé sodium-hydrogène qui présenterait les caractéristiques d’un métal et des structures uniques ainsi que des propriétés supraconductrices<ref>{{en}} Duck Young Kim, Elissaios Stavrou, Takaki Muramatsu, Ho-Kwang Mao et Alexander Goncharov, [https://carnegiescience.edu/news/new-material-could-advance-superconductivity ''New Material Could Advance Superconductivity''].</ref>{{,}}<ref>Nathalie Mayer, [http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-supraconducteurs-futur-seront-ils-hydrogene-63765/ ''Les supraconducteurs du futur seront-ils à hydrogène ?''], Futura-Sciences.</ref>. |
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Dernière version du 13 mars 2024 à 10:12
L'hydrogène métallique[1] est une phase de l'hydrogène qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte pression. C'est un exemple de matière dégénérée. Il est estimé qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) tel que l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures[2],[3].
L'hydrogène métallique consiste en un treillis de noyaux atomiques, des protons, dont l'espacement est significativement plus petit que le rayon de Bohr. En effet, l'espacement est davantage comparable à une longueur d'onde d'électron (voir hypothèse de De Broglie). Ces électrons ne sont pas liés et se comportent donc comme les électrons d'un métal conducteur.
L'hydrogène métallique pourrait présenter des transitions de phase en présence d'un champ magnétique, passant d'un état supraconducteur à un état superfluide et vice versa[4].
Histoire
[modifier | modifier le code]Prédiction des années 1930
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Bien que l'hydrogène soit tout en haut du tableau périodique, au sommet de la colonne des métaux alcalins, il n'en est pas un, sous des conditions normales. En 1935, le futur lauréat du prix Nobel Eugene Wigner a prédit, avec H. B. Huntington, que sous des conditions de pression immense, les atomes d'hydrogène rejoindraient leur groupe du tableau périodique, délaissant ainsi leur lien étroit avec leur électron[5].
La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles. De plus, leurs prédictions sur la pression nécessaire n'étaient pas assez élevées[6].
Recherche contemporaine
[modifier | modifier le code]Les expériences de production d'hydrogène métallique continuent en laboratoire. En 1998, Arthur Ruoff et Chandrabhas Narayana de l'université Cornell[7] et, en 2002, Paul Loubeyre et René LeToullec du Commissariat à l'énergie atomique en France, ont prouvé qu'à des pressions proches de celles régnant au centre de la Terre (3,2 à 3,4 millions d'atmosphères) et des températures de 100 à 300 K, l'hydrogène n'est toujours pas un métal alcalin. La recherche pour observer l'hydrogène métallique en laboratoire continue, plus de 70 ans après que son existence a été prévue.
1996
[modifier | modifier le code]En , des chercheurs du Laboratoire national de Lawrence Livermore ont rapporté avoir produit de l'hydrogène métallique[8], par sérendipité. Pendant environ une microseconde, des températures de milliers de kelvins et des pressions de millions d'atmosphères (supérieures à 100 GPa) aurait produit de l'hydrogène métallique identifiable. Le métal ainsi produit ne se comporte pas comme un métal alcalin.
Contexte
[modifier | modifier le code]Les chercheurs de l'équipe du Lawrence Livermore ne comptaient pas produire de l'hydrogène métallique, car ils n'employaient pas l'hydrogène solide, censé être nécessaire, et ils travaillaient au-dessus des températures indiquées par la théorie de la métallisation. En outre, dans les études précédentes selon lesquelles de l'hydrogène solide a été comprimé à l'intérieur d'enclumes de diamant à des pressions allant jusqu'à 2,5 millions d'atmosphères (environ 253 GPa), aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de conductivité qu'elle prévoyait.
Détails expérimentaux
[modifier | modifier le code]Les chercheurs ont employé des canons à gaz léger (utilisés à l'origine dans des études de missiles guidés des années 1960) pour tirer sur une plaque à impacts placée dans un récipient scellé contenant un échantillon d'hydrogène liquide épais d'un demi-millimètre. D'abord, à une extrémité du pistolet, l'hydrogène a été refroidi environ à 20 K à l'intérieur d'un récipient qui contient une batterie reliée par des fils à un enroulement de Rogowski et à un oscilloscope ; les fils touchent également la surface de l'hydrogène à plusieurs endroits, ainsi l'appareil peut être utilisé pour mesurer et enregistrer sa conductivité électrique. À l'extrémité opposée, jusqu'à 3 kg de poudre sont mis à feu. L'explosion résultante pousse le piston d'une pompe et comprime le gaz à l'intérieur. Par la suite le gaz atteint une pression assez élevée pour ouvrir une valve à l'extrémité opposée de la chambre. En pénétrant le « baril » mince, il a propulsé la plaque à impacts en métal recouverte de plastique dans le récipient à une vitesse de 8 km/s, comprimant l'hydrogène à l'intérieur.
Résultats
[modifier | modifier le code]Les scientifiques ont été étonnés de constater que, quand la pression atteint 1,4 million d'atmosphères (142 GPa), la largeur de la bande interdite de l'énergie électronique (une mesure de résistivité électrique) tombe presque à zéro.
L'espace de bande d'énergie électronique de l'hydrogène dans son état non comprimé est d'environ 15 eV, faisant de lui un isolant, mais à mesure que la pression augmente, la largeur de la bande interdite tombe graduellement à 0,3 eV. Puisque 0,3 eV sont fournis par l'énergie thermique du fluide (la température est montée à environ 3 000 K à cause de la compression de l'échantillon), l'hydrogène peut à ce moment être entièrement considéré comme métallique.
2011
[modifier | modifier le code]En 2011, Eremets et Troyan ont annoncé avoir identifié l'état liquide métallique de l'hydrogène (protium) et du deutérium à des pressions statiques de 2 600 000-3 000 000 atm (263,445-303,975 GPa)[9]. L'annonce est mise en doute par d'autres chercheurs en 2012[10],[11],[12].
2015
[modifier | modifier le code]En 2015, la découverte de deutérium métallique par la Z machine est annoncée[13].
2017
[modifier | modifier le code]Isaac Silvera et Ranga Dias, de l'université Harvard, ont affirmé avoir obtenu de l'hydrogène métallique en utilisant des enclumes de diamant à une pression de 495 GPa. Cette étude a été publiée dans Science le [14] mais est mise en doute par d'autres équipes travaillant dans le même domaine de recherche[15],[16].
2018
[modifier | modifier le code]Une équipe franco-américaine signale qu'elle aurait réussi, par utilisation de 168 faisceaux laser permettant une pression égale à cinq millions de fois celle de notre atmosphère, à rendre l'hydrogène métallique[17],[18].
2020 - 2022
[modifier | modifier le code]En utilisant une cellule à enclumes de diamant spécialement façonnée pour atteindre des valeurs de pression supérieures à 400 GPa, l'équipe de Paul Loubeyre au CEA (France) obtient à 80 K et 425 GPa une transition de phase réversible de l'hydrogène solide, caractérisée par un changement brusque de l'absorbance infrarouge. Il s'agit très probablement de la transition vers l'hydrogène métallique, mais le dispositif expérimental ne permet pas de mesurer la conductivité électrique pour le confirmer[19],[20],[21]. En 2022, la même équipe publie les résultats d'expériences similaires sur le deutérium mettant une évidence une pression de métallisation de 460 GPa, plus élevée que dans le cas de l'hydrogène du fait de l'effet isotopique[22].
Astrophysique
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L'hydrogène métallique serait présent en énormes quantités à l'intérieur de Jupiter, Saturne et certaines exoplanètes. L'intérieur de ces planètes est sujet à d'importantes forces de compression gravitationnelles.
Les modèles de l'intérieur de ces planètes avaient tenu pour acquis que l'hydrogène se métallifiait à de plus hautes pressions que celles ayant été découvertes subséquemment. Par conséquent, le noyau métallique de Jupiter est plus près de la surface que prévu et son champ magnétique, le plus fort de toutes les planètes du système solaire, est donc produit également plus près de la surface que prévu.
Applications
[modifier | modifier le code]Recherche sur la fusion nucléaire
[modifier | modifier le code]Une façon de produire la fusion nucléaire est de focaliser des lasers sur des morceaux d'isotopes d'hydrogène. Une meilleure compréhension du comportement de l'hydrogène dans des conditions extrêmes pourrait aider à augmenter le rendement énergétique de ce procédé.
Production d'hydrogène métallique
[modifier | modifier le code]Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. De même que le diamant est une transformation du graphite par compression qui ne se retransforme que difficilement par décompression (car la retransformation nécessiterait énormément d'énergie), une théorie prévoit l'existence d'une forme d'hydrogène, appelée « hydrogène métallique métastable », qui ne reviendrait que difficilement à son état d'hydrogène normal lorsque décompressé. Avec la limite d'élasticité de l'aluminium et un tiers de sa densité, cette forme d'hydrogène pourrait être utilisée pour fabriquer des automobiles très légères avec une haute efficacité énergétique[23].
De plus, il pourrait être utilisé lui-même comme carburant. Assez propre, il n'aurait que de l'eau et de l'oxyde d'azote comme produit de combustion. Il est neuf fois plus dense que l'hydrogène normal et produirait une énergie considérable lorsqu'il reprendrait cette forme.[citation nécessaire] Brûlé plus rapidement, il serait un carburant cinq fois plus efficace que la combinaison hydrogène liquide et oxygène liquide qu'utilisait la navette spatiale. L'hydrogène métallique produit ne l'a été que trop brièvement pour qu'on puisse déterminer sa métastabilité[24].
Supraconductivité
[modifier | modifier le code]Une théorie veut que l'hydrogène métallique soit un supraconducteur à la température normale d'une pièce (290 K). Cela est beaucoup plus élevé que pour tout autre candidat à la supraconductivité[25],[26].
À moins que l'hydrogène métallique puisse rester métastable à température ambiante, comme le prédisait le physicien des fluides Neil William Ashcroft, il est douteux qu'on puisse en tirer des applications industrielles. La pression nécessaire pour le maintenir sous forme métallique est très difficile à mettre en œuvre, le rendant bien moins intéressant que d'autres supraconducteurs dont il suffit de maintenir la température basse.
En 2016, le Carnegie Institution for Science semble avoir fait de nouvelles découvertes portant sur un composé sodium-hydrogène qui présenterait les caractéristiques d’un métal et des structures uniques ainsi que des propriétés supraconductrices[27],[28].
Notes et références
[modifier | modifier le code]- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Metallic hydrogen » (voir la liste des auteurs).
- William J. Nellis, « L'hydrogène métallique », Pour la science, no 273 « L'hydrogène métallique », (lire en ligne [php], consulté le ).
- (en) N. W. Ashcroft, « The hydrogen liquids », Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 12, no 8A, , A129 (ISSN 0953-8984, DOI 10.1088/0953-8984/12/8A/314, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T. et Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations, Nature, 431, 669 (2004).
- (en) E. Babaev, A. Sudbø et N.W. Ashcroft, « A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen », Nature, vol. 431, no 7009, , p. 666 (DOI 10.1038/nature02910, Bibcode 2004Natur.431..666B, arXiv cond-mat/0410408).
- (en) E. Wigner et H. B. Huntington, On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen, J. Chem. Phys., 3, 764 (1935).
- (en) P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao et L. W. Finger, X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures, Nature, 383, 702 (1996).
- (en) C. Narayana, H. Luo, J. Orloff et A. L. Ruoff, Solid hydrogen at 342 GPa: no evidence for an alkali metal, Nature, 393, 46-49 (1998).
- (en) S. T. Weir, A. C. Mitchell et W. J. Nellis, Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1,4 Mbar), Physical Review Letters, 76, 1860 - 1863 (1996).
- (en) M. I. Eremets et I. A. Troyan, « Conductive dense hydrogen », Nature Materials, vol. 10, no 12, , p. 927–931 (DOI 10.1038/nmat3175, Bibcode 2011NatMa..10..927E).
-
(en) W. J. Nellis, A. L. Ruoff et I. S. Silvera, « Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? », .
« no evidence for MH »
- (en) I. Amato, « Metallic hydrogen: Hard pressed », Nature, vol. 486, no 7402, , p. 174–176 (DOI 10.1038/486174a, Bibcode 2012Natur.486..174A).
- (en) M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson et R. Redmer, « Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium », Science, vol. 348, no 6242, , p. 1455–1460 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 26113719, DOI 10.1126/science.aaa7471).
- (en) Matthew Gunther, « Z machine puts the squeeze on metallic deuterium », Chemistry World, (ISSN 1473-7604, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Ranga P. Dias et Isaac F. Silvera, « Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen », Science, (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 28126728, DOI 10.1126/science.aal1579, lire en ligne, consulté le ).
- David Larousserie, « Des chercheurs émettent des doutes quant à la découverte d’un « Graal » de la physique », Le Monde, (lire en ligne).
- (en) Davide Castelvecchi, « Physicists doubt bold report of metallic hydrogen », Nature, (DOI 10.1038/nature.2017.21379, lire en ligne).
- David Larousserie, « Bombarder l’hydrogène le rend métallique », Le Monde, (lire en ligne, consulté le ).
- (en) Peter M. Celliers, Marius Millot, Stephanie Brygoo et R. Stewart McWilliams, « Insulator-metal transition in dense fluid deuterium », Science, vol. 361, no 6403, , p. 677–682 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 30115805, DOI 10.1126/science.aat0970, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Serge Desgreniers, « A milestone in the hunt for metallic hydrogen », Nature, vol. 577, , p. 626-627 (DOI 10.1038/d41586-020-00149-7).
- (en) Paul Loubeyre, Florent Occelli et Paul Dumas, « Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen », Nature, vol. 577, , p. 631-635 (DOI 10.1038/s41586-019-1927-3).
- « Hydrogène métallique : le heavy métal français », La Méthode scientifique, France Culture, 26 février 2020.
- Paul Loubeyre, Florent Occelli et Paul Dumas, « Compression of D2 to 460 GPa and Isotopic Effects in the Path to Metal Hydrogen », Physical Review Letters, vol. 129, no 3, , p. 035501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.129.035501, lire en ligne, consulté le )
- « Physicists Appear To Be Closing In On An Elusive State Of Metallic Hydrogen » [archive du ], .
- (en) William J. Nellis, Metastable Metallic Hydrogen Glass, Lawrence Livermore Preprint (1996).
- (en) Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?, Physics Abstract Service.
- (en) New metallic superconductor makes an immediate impact, Physics World (en).
- (en) Duck Young Kim, Elissaios Stavrou, Takaki Muramatsu, Ho-Kwang Mao et Alexander Goncharov, New Material Could Advance Superconductivity.
- Nathalie Mayer, Les supraconducteurs du futur seront-ils à hydrogène ?, Futura-Sciences.
Voir aussi
[modifier | modifier le code]Articles connexes
[modifier | modifier le code]Liens externes
[modifier | modifier le code]- « Hydrogène métallique : le heavy metal français », La Méthode scientifique, France Culture, 26 février 2020
