Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

Dans le monde solide des matériaux, l'hydrogène est un maître du déguisement. À la pression sous laquelle nous vivons chaque jour, il se lie de manières prévisibles : parfois sous forme de gaz simple, parfois verrouillé étroitement à l'intérieur des métaux, ou formant des structures complexes qui stockent l'énergie. Pendant des décelles, les scientifiques savaient que s'ils pouvaient comprimer l'hydrogène suffisamment fort — des pressions que l'on trouve au cœur des géantes gazeuses ou générées dans des laboratoires spécialisés — il se comporterait de manières entièrement nouvelles. Sous une telle compression extrême, les atomes d'hydrogène sont forcés d'être si proches les uns des autres qu'ils forment des réseaux denses et inhabituels, créant une classe de matériaux appelés superhydrures. Ces composés exotiques sont célèbres pour une propriété stupéfiante : certains peuvent conduire l'électricité avec une résistance nulle à des températures bien plus chaudes que n'importe quel autre supraconducteur connu. Cependant, un obstacle majeur a toujours fait obstacle à leur utilisation. Ces superhydrures sont comme des glaçons dans un désert ; dès que la pression écrasante est relâchée, ils fondent pour redevenir des substances ordinaires et moins intéressantes. Le grand défi pour les chercheurs a été de trouver un moyen de piéger ces structures de haute pression afin qu'elles puissent survivre à l'air libre, rendant leurs remarquables propriétés disponibles pour une utilisation dans le monde réel.

Une équipe de chercheurs en France a maintenant franchi une étape significative vers la résolution de ce problème en créant un nouveau type de superhydrure qui refuse de se désagréger lorsque la pression est relâchée. En travaillant avec un mélange d'yttrium, de fer et d'hydrogène, ils ont utilisé un dispositif appelé cellule à enclume de diamant pour comprimer les matériaux ensemble. En chauffant l'échantillon avec un laser alors qu'il était sous une pression immense, ils ont poussé les atomes à former une structure spécifique et hautement ordonnée. Le résultat fut un composé de formule Y3Fe4H20, un matériau chargé d'atomes d'hydrogène d'une manière jamais vue auparavant. Ce qui rend cette découverte véritablement spéciale, c'est que lorsque les scientifiques ont relâché lentement la pression, le matériau ne s'est pas effondré. Au contraire, il a conservé sa forme, restant stable même après être revenu à la pression normale de l'atmosphère. Cela marque la première fois qu'un superhydrure avec une telle teneur en hydrogène a été récupéré et conservé intact dans des conditions quotidiennes.

Pour comprendre ce qu'ils ont trouvé, l'équipe a dû regarder à l'intérieur de la structure cristalline de leur nouveau matériau. En utilisant de puissants faisceaux de rayons X, ils ont cartographié les positions des atomes métalliques lourds, l'yttrium et le fer. Comme les atomes d'hydrogène sont trop légers pour être vus clairement par les rayons X, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées pour déterminer où l'hydrogène devait se situer pour rendre la structure stable. L'image qui en est ressortie était un design architectural unique. Les atomes de fer sont chacun entourés de huit atomes d'hydrogène, formant des unités moléculaires cubiques. Ces cubes ne flottent pas seuls ; ils sont reliés entre eux par les arêtes, partageant des atomes d'hydrogène pour former de longues chaînes continues. Les atomes d'yttrium se trouvent dans les espaces entre ces chaînes, maintenus en place par des forces électriques. Les chercheurs ont comparé cet arrangement à la façon dont le silicium et l'oxygène se lient dans les minéraux silicatés, une famille commune de roches, mais ici les « roches » sont faites d'hydrogène et de métal. Ce cadre de type silicate composé de chaînes d'hydrogène est ce qui donne au matériau sa force et lui permet de survivre sans la pression écrasante qui le crée habituellement.

Le voyage vers cette découverte a commencé avec un point de départ spécifique : un composé préexistant d'yttrium et de fer qui avait déjà absorbé une partie de l'hydrogène. L'équipe a placé de minuscules cristaux de ce matériau, ainsi que de l'hydrogène gazeux supplémentaire, entre deux pointes de diamant. Ils ont appliqué une pression, atteignant des niveaux allant jusqu'à 90 gigapascals, ce qui est plus d'un million de fois la pression de l'atmosphère au niveau de la mer. À ces profondeurs, les atomes sont forcés dans une étreinte serrée. Pour les aider à se réorganiser dans la forme la plus stable, les scientifiques ont tiré un laser sur l'échantillon, le chauffant à des températures d'environ 1 500 degrés Celsius pendant un bref instant. Cette chaleur a donné aux atomes l'énergie nécessaire pour sauter dans leurs nouvelles positions. Lorsqu'ils ont refroidi l'échantillon et vérifié les résultats, ils ont constaté qu'un nouveau cristal distinct s'était formé. En répétant l'expérience plusieurs fois et en utilisant différentes pressions, ils ont confirmé que cette nouvelle structure pouvait être créée à partir de seulement 60 gigapascals.

Une fois le nouveau cristal identifié, l'équipe a observé ce qui se passait lorsqu'elle réduisait lentement la pression. Dans un scénario typique, un matériau de haute pression se décomposerait instantanément en morceaux plus simples dès que l'étreinte est relâchée. Mais le Y3Fe4H20 s'est comporté différemment. Il est resté intact, conservant son ordre interne complexe alors que la pression chutait jusqu'à zéro. Les scientifiques ont observé le cristal pendant plus de 30 heures à pression normale, et il ne montrait aucun signe de désintégration. Même après trois mois, un échantillon de l'expérience était encore reconnaissable, bien qu'il ait perdu une petite quantité d'hydrogène, ce qui a provoqué une légère réduction de son volume. Cette perte d'hydrogène lente et contrôlée suggère que, bien que le matériau ne soit pas parfaitement permanent, il est remarquablement stable pour une substance née dans des conditions aussi extrêmes. Cela prouve que l'arrangement spécifique des atomes dans ce superhydrure est assez fort pour résister à l'envie de revenir à ses composants plus simples.

Les chercheurs ont également examiné de près la façon dont les atomes vibrent et interagissent au sein de cette structure. Leurs calculs ont montré que le matériau est électriquement conducteur, un trait nécessaire pour la supraconductivité, mais ils ont trouvé qu'il est peu probable qu'il s'agisse lui-même d'un supraconducteur à haute température. La façon dont les électrons sont distribués suggère que, bien qu'il conduise l'électricité, il ne le fait pas avec l'efficacité de résistance nulle observée dans d'autres superhydrures célèbres comme le LaH10. Cependant, la découverte ne porte pas sur une application immédiate en tant que supraconducteur, mais sur la preuve de concept qu'elle fournit. Elle démontre qu'en mélangeant différents métaux et en utilisant le bon schéma structurel, les scientifiques peuvent créer des matériaux riches en hydrogène qui sont métastables — ce qui signifie qu'ils peuvent exister dans un état qui n'est pas le plus stable possible, mais suffisamment stable pour durer longtemps. Cela ouvre la voie à la recherche d'autres composés similaires qui pourraient combiner cette stabilité avec les propriétés de supraconductivité souhaitées.

La méthode utilisée pour trouver ce matériau offre une nouvelle voie de découverte. Au lieu de s'appuyer uniquement sur les prédictions informatiques pour deviner quelles combinaisons d'éléments pourraient fonctionner, l'équipe a combiné la synthèse expérimentale avec une modélisation informatique ciblée. Ils ont laissé l'expérience de haute pression révéler la forme du squelette métallique, puis ont utilisé l'ordinateur pour remplir les atomes d'hydrogène manquants. Cette approche leur a permis de trouver une structure trop complexe pour que les recherches informatiques actuelles puissent la trouver d'elle-même, car le nombre d'atomes dans l'unité répétitive est assez élevé. Le succès de cette méthode suggère que la meilleure façon de trouver la prochaine génération de matériaux exotiques est de laisser l'environnement de haute pression guider la découverte, en utilisant l'ordinateur pour interpréter les résultats plutôt que d'essayer de les prédire à partir de zéro.

À l'avenir, la structure du Y3Fe4H20 sert de modèle pour la recherche future. Parce que le matériau est construit sur un cadre spécifique de chaînes d'hydrogène liées, les scientifiques peuvent maintenant essayer de remplacer les atomes de fer par d'autres métaux, comme le nickel, pour voir s'ils peuvent ajuster les propriétés. Les premiers calculs suggèrent qu'une telle substitution pourrait augmenter le potentiel de supraconductivité du matériau. La découverte de ce nouveau prototype structurel change la conversation, passant de « pouvons-nous fabriquer ces matériaux ? » à « lesquels de ces matériaux pouvons-nous conserver ? ». En montrant qu'un superhydrure peut survivre à la transition des profondeurs de la terre vers la paillasse du laboratoire, ce travail fournit une cible tangible pour la prochaine génération de la science des matériaux, rapprochant un peu plus le rêve de supraconducteurs à température ambiante de la réalité.