De nouvelles connaissances pourraient-elles conduire à un état de supraconductivité dans les conditions ambiantes?

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Illustration d’une structure atomique d’hydrure de zirconium et de vIllustration d’une structure atomique d’hydrure de zirconium et de vanadium dans des conditions proches des conditions ambiantes: Le réseau est composé d’atomes de vanadium (en bleu) et d’atomes de zirconium (en vert) entourant des atomes d’hydrogène (en rouge). Illustration: Jill Hemman / Oak Ridge National Laboratory, US Dept of Energy
Une équipe de chercheurs de la Suisse, des États-Unis et de Pologne a trouvé la preuve d’une densité exceptionnellement élevée d’atomes d’hydrogène dans un hydrure métallique. Les espaces plus petits entre les atomes pourraient permettre d’introduire une quantité d’hydro-gène beaucoup plus importante dans le matériau, au point qu’il pourrait commencer à se comporter comme un supraconducteur à température et à pression ambiante.

Les scientifiques ont mené des expériences de diffusion des neutrons au Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) aux États-Unis sur des échantillons d’hydrure de zirconium et de vanadium à la pres-sion atmosphérique et à des températures atteignant -23 degrés Celsius. Leurs résultats décrivent en détail les premières observations de distances atomiques hydrogène-hydrogène, faibles dans un hydrure métallique. Ils ont observé une distance aussi petite que 1,6 angströms (moins d’un millio-nième de millimètre), par rapport aux distances de 2,1 angströms prévues pour ces métaux, comme le rapportent les scientifiques dans le dernier numéro des "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS). Cet arrangement interatomique est remarquablement prometteur puisque l’hydrogène contenu dans les métaux affecte leurs propriétés électroniques. On a constaté que d’autres matériaux présentant des arrangements d’hydrogène similaires commencent à être supraconducteurs, mais seulement à des pressions très élevées. L’équipe de recherche comprenait des scientifiques de l’Empa, de l’Université de Zurich, de l’Académie polonaise des sciences, de l’Université de l’Illinois à Chicago et de l’ORNL.

Certains des supraconducteurs "haute température" les plus prometteurs, comme le décahydrure de lanthane, peuvent commencer à être supraconducteurs à environ -20 degrés Celsius, mais ils nécessitent malheureusement des pressions aussi élevées que 1,6 million de fois la pression atmos-phérique pour se former", explique Rus Hemley de l’Université de l’Illinois à Chicago. "Pendant des décennies, le "Saint Graal" pour les scientifiques a été de trouver un matériau supraconducteur à la température et à la pression ambiantes, ce qui permettrait aux ingénieurs de le concevoir en systèmes et dispositifs électriques conventionnels".

La spectroscopie neutronique inélastique à haute résolution a été utilisée pour sonder les interac-tions de l’hydrogène dans l’hydrure métallique. Cependant, le signal spectral résultant, qui com-prenait un pic important à environ 50 millielectronvolts, n’était pas conforme aux prévisions des modèles. La percée dans la compréhension s’est produite après que l’équipe ait utilisé les superor-dinateurs de l’ORNL. Ces simulations informatiques, ainsi que des expériences supplémentaires ex-cluant toute explication alternative, ont prouvé de manière concluante que l’intensité spectrale inattendue ne se produit que lorsque les distances entre les atomes d’hydrogène sont inférieures à 2,0 angströms - ce qui n’avait jamais été observé auparavant dans un hydrure métallique à la pres-sion et à la température ambiantes. Les résultats de l’équipe représentent la première exception connue au critère de Switendick dans un alliage bimétallique, une règle qui s’applique aux hy-drures stables à la température et à la pression ambiantes: la distance hydrogène-hydrogène n’est jamais inférieure à 2,1 angströms.

La source de neutrons par spallation du laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, fournit des résultats d’une résolution particulièrement élevée. Les neutrons n’ont pas de charge électrique, ce qui leur permet de traverser facilement un échantillon, révélant des informations sur la structure et les propriétés du matériau. Image: Oak Ridge National Laboratory, US Dept of Energy

"Une question importante est de savoir si l’effet observé se limite ou non spécifiquement à l’hy-drure de zirconium et de vanadium", explique Andreas Borgschulte du laboratoire "Advanced Ana-lytical Technologies" de l’Empa. "Si nous faisons des calculs théoriques du matériau en respectant la limite de Switendick, nous ne pouvons pas vérifier le pic. Cela conduit à la conclusion que dans l’hydrure de vanadium, des paires hydrogène-hydrogène avec des distances inférieures à 2,1 angströms se forment."

Lors de futures expériences, les chercheurs prévoient d’ajouter plus d’hydrogène à l’hydrure de zir-conium et de vanadium à différentes pressions pour évaluer la quantité d’hydrogène que l’alliage peut stocker dans son réseau.

En étudiant les hydrures métalliques basés sur d’hydrogène, le zirconium et le vanadium, les chercheurs de l’Empa ont constaté que la distance entre les atomes d’hydrogène est plus petite que ce qui était supposé auparavant. Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles voies dans divers domaines. Emission de radio sur RTS du 6 février 2020