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Les supraconducteurs sont des matériaux capables de conduire un courant électrique sans aucune résistance. Ils sont à l’origine des puissants électro-aimants des accélérateurs de particules, des trains à grande vitesse, des scanners IRM et pourraient théoriquement permettre la mise en place de lignes électriques qui acheminent l’électricité de A à B sans perdre les précieux kilowatts par la dissipation thermique.

Des chercheurs ont créé un supraconducteur « impossible »

Malheureusement, les supraconducteurs connus aujourd’hui ne peuvent fonctionner qu’à des températures très basses (inférieures à -138 degrés Celsius), et le dernier record (-13 °C) exige des pressions extrêmement élevées de près de 2 millions d’atmosphères. Cela limite l’étendue de leurs applications et rend les technologies supraconductrices disponibles onéreuses, car il est difficile de maintenir des conditions de fonctionnement aussi extrêmes.
Les prédictions théoriques suggèrent que l’hydrogène est un candidat potentiel pour la supraconductivité à température ambiante. Cependant, pour amener l’hydrogène à un état supraconducteur, il faudrait une pression énorme d’environ 5 millions d’atmosphères, comparativement à 3,6 millions d’atmosphères au centre de la Terre. En comprimant un élément très fort il deviendrait un métal, mais cela irait à l’encontre de l’objectif d’un fonctionnement dans des conditions normales.
L’alternative à la métallisation de l’hydrogène est la synthèse de composés dits « interdits » de certains éléments – le lanthane, le soufre, l’uranium, le cérium, etc. – et de l’hydrogène, avec plus d’atomes de ces derniers que la chimie classique ne le permet. Ainsi, normalement, nous pourrions parler d’une substance avec une formule comme CeH₂ ou CeH₃.
Mais notre super-hydrure de cérium – CeH₉ – contient beaucoup plus d’hydrogène, ce qui lui confère des propriétés plus intéressantes », explique un auteur de l’étude, le professeur Artem R. Oganov de Skoltech de l’Institut de physique et technologie de Moscou (MIPT).

Le super-hydrure d’uranium est stable à une pression relativement basse

Comme les spécialistes des matériaux recherchent la supraconductivité à des températures plus élevées et à des pressions plus basses, l’un peut se faire au détriment de l’autre. « Bien que le super-hydrure de cérium ne devienne supraconducteur qu’une fois refroidi à -200 degrés Celsius, ce matériau est remarquable car il est stable à une pression de 1 million d’atmosphères – moins que ce dont les super-hydrides de soufre et de lanthane précédemment synthétisés ont besoin.
D’autre part, le super-hydrure d’uranium est stable à une pression encore plus basse, mais a besoin de beaucoup plus de refroidissement », a ajouté le coauteur Ivan Kruglov, un chercheur au MIPT et du Dukhov Research Institute of Automatics.
Pour synthétiser leur supraconducteur « impossible », les scientifiques ont placé un échantillon microscopique du cérium métallique dans une enclume de diamant, avec un produit chimique qui libère de l’hydrogène lorsqu’il est chauffé – dans ce cas avec un laser. L’échantillon de cérium a été comprimé entre deux diamants plats pour permettre la pression nécessaire à la réaction. Au fur et à mesure que la pression augmentait, des hydrures de cérium avec une proportion progressivement plus grande d’hydrogène se sont formés dans le réacteur pour créer du: CeH₂, CeH₃, etc.
L’équipe a ensuite utilisé l’analyse par diffraction des rayons X pour discerner les positions des atomes de cérium et ainsi révéler indirectement la structure du nouveau composé. Le réseau cristallin CeH₉ est composé de cages de 29 atomes d’hydrogène dans une formation quasi sphérique.
Les atomes de chaque cage sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes, un peu comme celles de la molécule H₂ de l’hydrogène gazeux, mais un peu plus faibles. Chaque cage fournit une cavité qui abrite un atome de cérium.

L’étape suivante consistera à ajouter un troisième élément

L’étape suivante pour les chercheurs consiste à ajouter un troisième élément au mélange : les composés triples de l’hydrogène et de deux métaux différents sont des territoires inexplorés. Comme le nombre de combinaisons possibles est élevé, ils envisagent d’utiliser des algorithmes d’IA pour sélectionner les candidats les plus prometteurs.
Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.
Source : Moscow Institute of Physics and Technology
Crédit photo : Pixabay