En tête de la recherche sur les supraconducteurs : de nouveaux composés de lanthane et d'hydrogène
Des résultats surprenants réfutent une hypothèse qui a joué jusqu'à présent un rôle central dans la recherche sur les matériaux supraconducteurs
Tous les supraconducteurs connus aujourd'hui et utilisés dans la recherche et l'industrie ne sont supraconducteurs qu'en dessous de 150 degrés Kelvin (environ moins 120 degrés Celsius). Les matériaux qui présentent cette propriété à des températures plus élevées sont donc recherchés dans le monde entier. Sur la base d'une modélisation théorique, les hydrures ont de plus en plus retenu l'attention. Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'université de Bayreuth présente aujourd'hui dans "Nature Communications" de nouveaux composés de lanthane et d'hydrogène synthétisés sous haute pression. Les analyses structurelles surprenantes de ces hydrures de lanthane pourront faire progresser la recherche de nouveaux supraconducteurs.
Vue de l'intérieur d'une cellule d'enclume de diamant.
Leonid Dubrovinsky
Les matériaux supraconducteurs se caractérisent par le fait qu'ils perdent leur résistance électrique en dessous d'une certaine température, dite température de transition. En principe, ils seraient idéaux pour transporter l'énergie électrique sur de très longues distances, du producteur d'électricité au consommateur. De nombreux défis énergétiques seraient ainsi résolus d'un seul coup : Par exemple, l'électricité produite par les éoliennes sur la côte pourrait être acheminée sans pertes vers l'intérieur des terres. Toutefois, cela ne serait possible que si l'on disposait de matériaux ayant des propriétés supraconductrices à des températures ambiantes et normales.
En 2019, une température de transition inhabituellement élevée de moins 23 degrés Celsius a été mesurée dans des expériences coordonnées par l'Institut Max Planck de Mayence. La mesure a eu lieu à une pression de compression de 170 gigapascals - 1,7 million de fois plus élevée que la pression de l'atmosphère terrestre. Le matériau était un hydrure de lanthane (LaH10+δ), un composé d'atomes du métal lanthane avec des atomes d'hydrogène. Le rapport sur ces expériences et d'autres rapports similaires restent très controversés. Ils ont suscité au niveau international un grand intérêt pour la recherche sur les hydrures de lanthane de différentes compositions et structures.
La nouvelle étude, publiée dans "Nature Communications", reprend cet axe de recherche. Les données de mesure de 2019 suggéraient que d'autres hydrures de lanthane supraconducteurs se forment également sous des pressions de compression très élevées. Ces considérations ont maintenant été confirmées : Au total, sept hydrures de lanthane ont été produits dans le laboratoire haute pression de l'Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentale (BGI) : les deux composés déjà connus LaH10+δ et LaH3, ainsi que les hydrures de lanthane LaH~4, LaH4+δ, La4H23, LaH6+δ et LaH9+δ, jusqu'alors inconnus. Tous ces composés ont été formés à partir d'échantillons contenant du lanthane et de la paraffine, qui est un mélange d'hydrocarbures saturés riche en hydrogène. Les échantillons ont été soumis à de très hautes pressions comprises entre 96 et 176 gigapascals dans des cellules à enclume de diamant et chauffés à plus de 2 200 degrés Celsius.
En coopération avec le synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg et le Center for Advanced Radiation Sources à Chicago, il a été possible d'identifier les structures des nouveaux composés de lanthane et d'hydrogène. Il s'est avéré que les hydrures de lanthane ayant la même disposition d'atomes de lanthane diffèrent considérablement par leur teneur en hydrogène. En d'autres termes, la même structure d'atomes de lanthane peut être liée à différents nombres d'atomes d'hydrogène. Les atomes d'hydrogène peuvent ainsi être disposés de manière très différente. Les scientifiques ont montré qu'une diversité structurelle similaire peut également exister dans les hydrures qui contiennent d'autres métaux du groupe des terres rares à la place du lanthane. Ces résultats surprenants réfutent une hypothèse qui a joué un rôle central dans la recherche sur les matériaux supraconducteurs jusqu'à présent : à savoir, le préjugé selon lequel un certain nombre et une certaine disposition des atomes de lanthane ne permettent qu'une seule configuration spécifique des atomes d'hydrogène.
Dans ce contexte, le coordinateur de l'étude, le professeur Dr. h.c. Natalia Dubrovinskaia du laboratoire de cristallographie de l'université de Bayreuth, explique : "Dans notre recherche de supraconducteurs avec des températures de transition plus élevées, les modèles théoriques et les calculs basés sur ceux-ci sont indispensables. Les solides contenant de l'hydrogène se sont avérés être des matériaux très prometteurs. La supraconductivité de ces composés chimiques dépend, comme nous le savons aujourd'hui, essentiellement du nombre et de la disposition des atomes d'hydrogène. Il est donc d'autant plus important que nos modèles théoriques n'intègrent pas d'hypothèses incorrectes qui conduiraient à ce que des solides contenant de l'hydrogène avec une température de transition élevée restent non découverts." Le professeur Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky du BGI ajoute : "Nos résultats sur les hydrures de lanthane nous rappellent fermement que dans la recherche de supraconducteurs optimaux, nous ne devons pas sous-estimer le nombre de composés contenant de l'hydrogène possibles et la variété des configurations possibles des atomes d'hydrogène."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
D. Laniel, F. Trybel, B. Winkler, F. Knoop, T. Fedotenko, S. Khandarkhaeva, A. Aslandukova, T. Meier, S. Chariton, K. Glazyrin, V. Milman, V. Prakapenka, I. A. Abrikosov, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia: High-pressure synthesis of seven lanthanum hydrides with a significant variability of hydrogen content. Nature communications (2022)
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