Hydrogène métallique

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L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte pression. C'est un exemple de matière dégénérée.

L'hydrogène métallique consiste en un treillis de noyaux atomiques, en fait des protons, dont l'espacement qui est significativement plus petit que le rayon de Bohr. En effet, l'espacement est davantage comparable à une longueur d'onde d'électron (voir l'hypothèse de De Broglie). Ces électrons ne sont pas liés et se comportent donc comme les électrons d'un métal conducteur.

[modifier] Découverte

[modifier] Prédiction des annnées 1930

Eugene Wigner (à gauche) et Alvin Weinberg

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 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.

La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles.

[modifier] Sérendipité

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 températures de milliers de kelvins et des pressions de millions d'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.

[modifier] Recherche contemporaine

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 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, 70 ans après que son existence ait été prévue.

[modifier] Contexte

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, aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de conductivité qu'elle prévoyait.

[modifier] Détails expérimentaux

Les chercheurs ont employé des pistolets 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, 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.

[modifier] Résultats

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.

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.

[modifier] Astrophysique

Jupiter

L'hydrogène métallique est 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 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.

[modifier] Applications

[modifier] Théorie

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.

[modifier] Production d'hydrogène métallique

Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. Comme le diamant est du graphite compressé qui ne se décompresse pas, une théorie prévoit l'existence d'une forme d'hydrogène, appelée hydrogène métallique métastable, qui ne redeviendrait pas à son état d'hydrogène normal lorsque décompressé. Avec la limite élastique 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.

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 liquide et oxygène liquide qu'utilise couramment la navette spatiale. L'hydrogène métallique produit ne l'a été que trop brièvement pour qu'on puisse déterminer sa métastabilité.

[modifier] Supraconductivité

Effet Meissner dans un supraconducteur

Une théorie veut que l'hydrogène solide soit un 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.^[1] ^[2]