Les secrets de l’hydrogène sous pression révélés grâce à une innovation de pointe

L’hydrogène, comme beaucoup d’entre nous, se comporte étrangement sous pression. La théorie prévoit qu’ lorsqu’il est écrasé par le poids de plus d’un million de fois notre atmosphère, cet élément léger, abondant et normalement gazeux devient d’abord un métal, et devient encore plus étrangement un supraconducteur – un matériau qui conduit l’électricité avec zéro résistance.

Les scientifiques sont impatients de comprendre et, finalement, de maîtriser les composés supraconducteurs hydrure-riches, appelés hydrures, à des fins pratiques, allant des trains lévitant aux détecteurs de particules. Cependant, étudier le comportement de ces matériaux et d’autres matériaux sous des pressions énormes et soutenues n’est pas seulement impraticable, mais mesurer ces comportements relève également du cauchemar, voire de l’impossible.

Une percée dans la mesure et l’imagerie des supraconducteurs

Comme le calculateur a révolutionné l’arithmétique et que ChatGPT a révolutionné la rédaction d’essais de cinq paragraphes, des chercheurs de Harvard pensent avoir trouvé un outil fondamental pour le problème épineux de la mesure et de l’imagerie du comportement des hydrures supraconducteurs à haute pression.

Publié dans Nature, ils rapportent avoir intégré des capteurs quantiques dans un dispositif standard de pression, permettant des lectures directes des propriétés électriques et magnétiques du matériau pressurisé.

L’innovation est née d’une collaboration de longue date entre le professeur de physique Norman Yao et le professeur de l’Université de Boston, Christopher Laumann, qui se sont éloignés de leurs antécédents théoriques pour se plonger dans les considérations pratiques de la mesure à haute pression il y a plusieurs années.

Comment étudier les hydrures sous pression extrême ?

La méthode standard pour étudier les hydrures sous pression extrême consiste à utiliser un instrument appelé cellule à enclume en diamant, qui serre une petite quantité de matériau entre deux interfaces de diamant taillées en brillant. Pour détecter quand un échantillon a été écrasé suffisamment pour devenir supraconducteur, les physiciens recherchent généralement une signature double : une chute de résistance électrique à zéro, ainsi que le rejet de tout champ magnétique voisin, également connu sous le nom d’Effet Meissner.

Le problème réside dans la capture de ces détails. Pour appliquer la pression requise, l’échantillon doit être maintenu en place par un joint qui répartit uniformément la compression, puis enfermé dans une chambre. Cela rend difficile la « vision » de ce qui se passe à l’intérieur, de sorte que les physiciens ont dû utiliser des méthodes de contournement qui impliquent plusieurs échantillons pour mesurer séparément différents effets.

L’intégration de capteurs quantiques dans un outil de mesure

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont conçu et testé une rétrofit ingénieuse : ils ont intégré une fine couche de capteurs, à partir de défauts naturels dans la structure cristalline du diamant, directement sur la surface de l’enclume en diamant. Ils ont utilisé ces capteurs quantiques efficaces, appelés centres de lacunes en azote, pour imager des régions à l’intérieur de la chambre pendant que l’échantillon est pressurisé et traverse le territoire supraconducteur.

Pour prouver leur concept, ils ont travaillé avec l’hydrure de cérium, un matériau connu pour devenir supraconducteur à environ un million d’atmosphères de pression, ou ce que les physiciens appellent le régime du méga-bar.

L’impact de cette découverte

Cet outil pourrait aider le domaine non seulement en permettant la découverte de nouveaux hydrures supraconducteurs, mais aussi en facilitant l’accès à ces caractéristiques convoitées dans les matériaux existants, pour une étude continue.

« Vous pouvez imaginer que parce que vous faites maintenant quelque chose dans une cellule à anvil en diamant avec des capteurs quantiques, et que vous pouvez immédiatement voir qu’« cette zone est maintenant supraconductrice, cette zone ne l’est pas », vous pouvez optimiser votre synthèse et trouver un moyen de créer de bien meilleurs échantillons « , a conclu Christopher Laumann.

Légende illustration : Représentation artistique des centres de vacance de l’azote dans une cellule à enclume de diamant, qui peut détecter l’expulsion de champs magnétiques par un supraconducteur à haute pression. Crédit : Ella Marushchenko

Article: « Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors » – DOI: 10.1038/s41586-024-07026-7