Nature de la supraconductivité dans les composés riches en hydrogène
La spectroscopie à effet tunnel à haute pression révèle une lacune supraconductrice dans le H₃S et le D₃S.
Les scientifiques ont franchi une étape importante dans leur quête de compréhension de la supraconductivité à haute température dans les matériaux riches en hydrogène. À l'aide d'une spectroscopie à effet tunnel sous haute pression, l'équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Max Planck de chimie a mesuré l'écart supraconducteur de H₃S, le matériau qui a établi le record de supraconductivité à haute pression en 2015 et qui sert de composé parent pour les hydrures supraconducteurs à haute température ultérieurs. Les résultats, publiés cette semaine dans la revue Nature, constituent la première preuve microscopique directe de la supraconductivité dans les matériaux riches en hydrogène et une étape importante vers sa compréhension scientifique.
Les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent transporter le courant électrique sans résistance, ce qui les rend inestimables pour des technologies telles que la transmission et le stockage de l'énergie, la lévitation magnétique et l'informatique quantique. Toutefois, ce phénomène a généralement été observé bien en dessous de la température ambiante, ce qui en limite les applications pratiques. La découverte de la supraconductivité dans des composés riches en hydrogène tels que le sulfure d'hydrogène (H₃S), qui devient supraconducteur à 203 kelvins (-70°Celsius), et le décahydride de lanthane (LaH₁₀), qui atteint la supraconductivité à 250 kelvins (-23°Celsius), a marqué une avancée révolutionnaire vers l'obtention de la supraconductivité à température ambiante. En raison de la température de transition bien supérieure au point d'ébullition de l'azote liquide, les chercheurs parlent de supraconducteurs à haute température.
La clé de la compréhension de la supraconductivité réside dans le gap supraconducteur, une propriété fondamentale qui révèle comment les électrons s'apparient pour former l'état supraconducteur. Il s'agit de l'identification de l'état supraconducteur qui se distingue des autres états métalliques.
Pourtant, la mesure de l'écart supraconducteur dans les matériaux riches en hydrogène comme le H₃S est restée extrêmement difficile. Ces composés doivent être synthétisés in situ à des pressions extraordinaires - plus d'un million de fois la pression atmosphérique - ce qui rend inapplicables les techniques conventionnelles de mesure de l'écart, telles que la spectroscopie à effet tunnel et la spectroscopie de photoémission résolue en angle.
La technique à effet tunnel permet d'accéder directement à l'état supraconducteur des composés riches en hydrogène
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs de l'Institut Max Planck de Mayence ont mis au point une spectroscopie planaire à effet tunnel d'électrons capable de fonctionner dans des conditions aussi extrêmes. Cette réalisation leur a permis de sonder pour la première fois le vide supraconducteur dans le H₃S, offrant ainsi un aperçu direct de l'état supraconducteur des composés riches en hydrogène.
En utilisant cette technique, les chercheurs ont découvert que le H₃S présente une fente supraconductrice entièrement ouverte d'une valeur d'environ 60 milliélectronvolts (meV), tandis que son analogue deutérium, le D₃S, présente une fente d'environ 44 meV. Le deutérium est un isotope de l'hydrogène et possède un neutron de plus. Le fait que l'écart dans le D₃S soit plus petit que dans le H₃S confirme que l'interaction des électrons avec les phonons - des vibrations quantifiées du réseau atomique d'un matériau - est à l'origine du mécanisme supraconducteur du H₃S, ce qui corrobore des prédictions théoriques de longue date.
Pour les chercheurs de Mayence, cette percée n'est pas seulement une réalisation technique - elle jette également les bases d'une élucidation complète de l'origine de la supraconductivité à haute température dans les matériaux riches en hydrogène. "Nous espérons qu'en étendant cette technique d'effet tunnel à d'autres hydrures supraconducteurs, les facteurs clés qui permettent la supraconductivité à des températures encore plus élevées pourront être identifiés. Cela devrait permettre à terme de développer de nouveaux matériaux pouvant fonctionner dans des conditions plus pratiques", déclare le Dr Feng Du, premier auteur de l'étude publiée aujourd'hui.
Mikhail Eremets, pionnier dans le domaine de la supraconductivité à haute pression et décédé en novembre 2024, a décrit l'étude comme "le travail le plus important dans le domaine de la supraconductivité des hydrures depuis la découverte de la supraconductivité dans le H₃S en 2015". Vasily Minkov, chef de projet de la chimie et de la physique à haute pression à l'Institut Max Planck de chimie, a commenté : "La vision de Mikhaïl de supraconducteurs fonctionnant à température ambiante et à des pressions modérées se rapproche un peu plus de la réalité grâce à ce travail."
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