Des Physiciens De L'Extrême Brisant L'Hydrogène Nous Poussent Dans Une Nouvelle Ère De Supraconductivité

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Le lanthane, les concasseurs de diamants et les modèles informatiques avancés sont en train de changer la chasse à cet effet mécanique quantique extrême.

Une micrographie optique montre le superhydride de lanthane chauffé par un laser sous des pressions extrêmes.

Une micrographie optique montre le superhydride de lanthane chauffé par un laser sous des pressions extrêmes.

"Nous pensons qu'il s'agit maintenant d'une nouvelle ère de supraconductivité", a déclaré Russell Hemley, scientifique en matériaux à la George Washington University de Washington, à une foule de chercheurs lors de la réunion de mars de l'American Physical Society.

Des images illuminaient l'écran derrière lui: un schéma d'un dispositif permettant d'écraser de minuscules objets entre les points super durs des diamants opposés, des graphiques de température et de résistance électrique, une boule rougeoyante ornée d'un "X" rugueux et noir découpé en son centre.

Cette dernière image était l'incarnation même de la nouvelle ère: un minuscule échantillon de superhydride de lanthane (ou LaH10) pressé à des pressions similaires à celles trouvées au centre du noyau terrestre et chauffés au laser à des températures approchant une fin de journée d'hiver en Nouvelle-Angleterre. (C'est une chaleur brûlante selon les normes de la recherche sur la supraconductivité, généralement menée dans des conditions de froid extrême en laboratoire.) Dans ces conditions, avait découvert Hemley et son équipe, LaH10 semblait cesser de résister au mouvement des électrons entre ses atomes. Cela devient apparemment, comme Hemley l’a appelé dans son discours sur l’APS et dans un article publié le 14 janvier dans la revue Physical Review Letters, un "supraconducteur à température ambiante". [6 éléments importants dont vous n'avez jamais entendu parler]

Science gelée

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert qu’à des températures extrêmement basses, certaines substances présentaient des propriétés électriques inhabituelles.

Dans des circonstances normales, un courant électrique traversant un matériau conducteur (comme un fil de cuivre) perdra une certaine intensité en cours de route. Même les très bons conducteurs que nous utilisons dans nos réseaux électriques sont imparfaits et n'arrivent pas à transporter toute l'énergie d'une centrale électrique à votre prise murale. Certains électrons se perdent en cours de route.

Mais les supraconducteurs sont différents. Un courant électrique introduit dans une boucle de fil supraconducteur continuera à tourner pour toujours, sans aucune perte. Les supraconducteurs suppriment les champs magnétiques et repoussent donc puissamment les aimants Ils ont des applications dans l'informatique à haute vitesse et d'autres technologies. Le problème est que les températures extrêmement basses auxquelles les supraconducteurs fonctionnent habituellement les rendent impraticables pour un usage courant.

Chasse sans carte

Pendant plus d'un siècle, les physiciens ont recherché la supraconductivité dans des matériaux plus chauds. Mais trouver la supraconductivité, c'est un peu comme chercher de l'or: l'expérience et les théories passées peuvent vous indiquer de manière générale où chercher, mais vous ne saurez pas vraiment où il en est avant d'avoir effectué le travail coûteux et fastidieux de la vérification.

"Vous avez tellement de matériaux. Vous avez un immense espace à explorer", a déclaré Lilia Boeri, physicienne à l'Université Sapienza de Rome, qui a présenté les travaux d'après Hemley explorant la possibilité de supraconducteurs encore plus chauds que LaH10, et expliquant pourquoi supraconducteur à des pressions extrêmes.

En 1986, des chercheurs ont découvert des céramiques supraconductrices à des températures pouvant atteindre 30 degrés au-dessus du zéro absolu ou moins 406 degrés Fahrenheit (moins 243 degrés Celsius). Plus tard, dans les années 1990, les chercheurs ont commencé par examiner sérieusement les très fortes pressions afin de déterminer s'ils pourraient révéler de nouveaux types de supraconducteurs.

Mais à ce moment-là, a déclaré Boeri à WordsSideKick.com, il n'existait toujours aucun moyen efficace de déterminer si un matériau se révélerait supraconducteur ou à quelle température il le ferait jusqu'à ce qu'il soit testé. En conséquence, les enregistrements de température critiques - les températures auxquelles la supraconductivité apparaît - sont restés très bas.

"Le cadre théorique était là, mais ils n'avaient pas la capacité de l'utiliser", a déclaré Boeri.

La prochaine grande avancée est survenue en 2001, lorsque les chercheurs ont montré que le diborure de magnésium (MgB2) était supraconducteur à 39 degrés au-dessus du zéro absolu, ou de moins 389 F (moins 234 C).

"[Trente-neuf degrés] était plutôt bas", a-t-elle déclaré, "mais à cette époque, il s'agissait d'une avancée majeure, car elle montrait que la supraconductivité pouvait être réalisée avec une température critique deux fois plus élevée que ce que l'on pensait auparavant possible."

Broyer l'hydrogène

Depuis lors, la chasse aux supraconducteurs chauds a évolué de deux manières: Les scientifiques des matériaux ont compris que des éléments plus légers offraient des possibilités alléchantes de supraconductivité. Pendant ce temps, les modèles informatiques ont évolué à un point tel que les théoriciens pouvaient prédire à l’avance comment les matériaux pourraient se comporter dans des circonstances extrêmes.

Les physiciens ont commencé à la place évidente.

"Alors, vous voulez utiliser des éléments légers, et l'élément le plus léger est l'hydrogène", a déclaré Boeri. "Mais le problème est l'hydrogène lui-même - il ne peut être rendu supraconducteur, car c'est un isolant [un matériau qui ne laisse généralement pas passer l'électricité]. Donc, pour avoir un supraconducteur, vous devez d'abord en faire un métal. faites quelque chose, et la meilleure chose à faire est de le presser. "

En chimie, un métal est à peu près n'importe quelle collection d'atomes liés entre eux parce qu'ils sont assis dans une soupe d'électrons à écoulement libre. La plupart des matériaux que nous appelons métaux, comme le cuivre ou le fer, sont métalliques à la température ambiante et à des pressions atmosphériques confortables. Mais d'autres matériaux peuvent devenir des métaux dans des environnements plus extrêmes. [Les laboratoires les plus extrêmes du monde]

En théorie, l'hydrogène est l'un d'entre eux. Mais il y a un problème.

"Cela nécessite une pression bien supérieure à celle qui est possible avec la technologie existante", a déclaré Hemley dans son discours.

Cela laisse les chercheurs à la recherche de matériaux contenant beaucoup d’hydrogène qui formeront des métaux et, espérons-le, deviendront supraconducteurs à des pressions atteignables.

À l'heure actuelle, a expliqué Boeri, les théoriciens travaillant avec des modèles informatiques proposent aux expérimentateurs des matériaux pouvant être supraconducteurs. Et les expérimentateurs choisissent les meilleures options à tester.

Il y a cependant des limites à la valeur de ces modèles, a déclaré Hemley. Toutes les prédictions ne sont pas au laboratoire.

"On peut utiliser des calculs très efficacement dans ce travail, mais il faut le faire de manière critique et réaliser des tests expérimentaux", a-t-il déclaré à la foule.

La LaH10 de Hemley et de son équipe, le "supraconducteur à température ambiante", semble être le résultat le plus excitant de cette nouvelle ère de recherche. Écrasé à environ 1 million de fois la pression de l'atmosphère terrestre (200 gigapascals) entre les points de deux diamants opposés, un échantillon de LaH10 semble devenir supraconducteur à 260 degrés au-dessus du zéro absolu, ou 8 F (moins 13 C).

Un diagramme montre le dispositif de cellule à enclume de diamant utilisé pour écraser le lanthane et l’hydrogène ensemble, ainsi que la structure chimique qu’ils forment sous ces pressions.

Un diagramme montre le dispositif de cellule à enclume de diamant utilisé pour écraser le lanthane et l’hydrogène ensemble, ainsi que la structure chimique qu’ils forment sous ces pressions.

Une autre série de l'expérience décrite dans le même document a montré une supraconductivité à 280 degrés au-dessus du zéro absolu, ou 44 F (7 C). C'est une température ambiante froide, mais pas trop difficile à atteindre.

Hemley a terminé son exposé en suggérant que ce travail à haute pression pourrait éventuellement conduire à la fabrication de matériaux supraconducteurs à la fois à des températures chaudes et à des pressions normales. Peut-être qu'un matériau, une fois sous pression, pourrait rester un supraconducteur une fois la pression relâchée, a-t-il déclaré. Ou peut-être que les leçons sur la structure chimique apprises à des températures élevées pourraient indiquer la voie à suivre pour les structures à basse pression supraconductrices.

Cela changerait la donne, a déclaré Boeri.

"Il s’agit essentiellement de recherche fondamentale. Elle n’a aucune application", at-elle déclaré. "Mais disons que vous proposez quelque chose qui fonctionne à pression, disons, 10 fois plus bas que maintenant. Cela ouvre la porte aux fils supraconducteurs, à d'autres choses."

Lorsqu'on lui a demandé si elle s'attend à voir un supraconducteur à température ambiante et à pression ambiante dans sa vie, elle a acquiescé avec enthousiasme.

"Bien sûr", dit-elle.

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Publié à l'origine sur Science en direct.


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