Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

Depuis des décennies, les scientifiques recherchent un matériau capable de conduire l'électricité sans aucune perte d'énergie, un état connu sous le nom de supraconductivité. Bien que ce phénomène soit bien connu, il nécessite généralement des températures si froides qu'on ne les trouve que dans les recoins les plus profonds de l'espace, ce qui rend son utilisation pratique incroyablement difficile. La recherche s'est intensifiée récemment autour d'une famille spécifique de matériaux appelés polyhydrures, qui sont des composés constitués d'hydrogène lié à d'autres éléments. Théoriquement, ces matériaux portent une promesse unique : si on les comprime avec une pression suffisante, les atomes d'hydrogène sont forcés d'être si proches les uns des autres qu'ils commencent à se comporter comme un métal, permettant potentiellement à l'électricité de circuler librement à des températures bien plus chaudes que jamais auparavant. Ce concept de « pré-compression » suggère qu'en appliquant une force immense, les chercheurs pourraient abaisser la température nécessaire à la supraconductivité à un point où elle pourrait un jour être utile dans le monde réel.

S'appuyant sur cette idée, une équipe de chercheurs a désormais ajouté un nouveau chapitre à l'histoire en découvrant la supraconductivité dans un composé fait de tellure et d'hydrogène. Le tellure est un élément chimique situé sur le côté droit du tableau périodique, et lorsqu'il est combiné à l'hydrogène dans des conditions extrêmes, il forme un matériau qui conduit l'électricité sans résistance à une température d'environ 91 Kelvin, ce qui correspond à environ -182 degrés Celsius. Bien que cela soit encore bien en dessous du point de congélation de l'eau, c'est une avancée significative pour ce type spécifique de matériau et marque la première fois que la supraconductivité est observée dans un composé riche en hydrogène de tellure.

Pour créer ce matériau, les scientifiques ont dû recréer les pressions écrasantes présentes dans le noyau profond de la Terre. Ils ont utilisé un dispositif appelé cellule à enclume de diamant, qui consiste en deux minuscules diamants dotés de pointes plates pouvant être pressés l'un contre l'autre pour comprimer un échantillon entre eux. À l'intérieur de cette chambre microscopique, ils ont placé un éclat de tellure et une substance riche en hydrogène appelée ammoniaque borane, qui servait à la fois de source d'hydrogène et de milieu pour transmettre la pression. En chauffant l'échantillon avec un laser puissant à des températures d'environ 2 000 Kelvin, ils ont décomposé l'ammoniaque borane, libérant du gaz d'hydrogène qui a réagi avec le tellure pour former le nouveau composé. Ce processus était délicat et difficile ; la chaleur intense requise pour forger le matériau endommageait souvent les enclumes de diamant, ce qui rendait difficile la répétition de l'expérience ou le test du matériau sous des pressions changeantes.

Une fois le matériau formé, les chercheurs ont mesuré sa résistance électrique tout en le maintenant sous haute pression et en le refroidissant. Ils ont observé qu'à mesure que la température chutait, la résistance électrique de l'échantillon tombait brusquement et finissait par disparaître complètement, un signe clair que le matériau était devenu un supraconducteur. Dans l'un de leurs échantillons, cet état de résistance nulle est apparu à une température d'environ 91 Kelvin. Pour confirmer qu'il s'agissait bien de supraconductivité et non d'un simple changement de la structure du matériau ou du magnétisme, ils ont appliqué des champs magnétiques. Ils ont constaté qu'à mesure que le champ magnétique devenait plus fort, la température à laquelle le matériau devenait supraconducteur diminuait, un comportement qui est une caractéristique des véritables supraconducteurs. Cette sensibilité aux champs magnétiques suggérait également que les régions supraconductrices au sein de l'échantillon étaient reliées par des liaisons faibles, une caractéristique commune aux matériaux composés de nombreux petits cristaux.

L'équipe s'est ensuite tournée vers un puissant faisceau de rayons X dans un grand centre de recherche pour observer l'intérieur du matériau et voir comment ses atomes étaient arrangés. Le diagramme de diffraction qu'ils ont capturé a révélé que la phase supraconductrice est un composé spécifique appelé TeH4, où un atome de tellure est lié à quatre atomes d'hydrogène. La structure de ce composé est assez distincte, présentant des cages d'atomes d'hydrogène qui partagent des faces entre elles, formant un réseau qui ressemble à un nid d'abeille. À l'intérieur de cette structure, des paires d'atomes d'hydrogène sont proches les unes des autres, agissant presque comme des molécules individuelles piégées à l'intérieur du cadre plus large. Cet arrangement correspond aux prédictions théoriques faites par d'autres scientifiques, qui avaient suggéré que cette forme spécifique serait stable sous de telles pressions élevées et capable de supraconductivité.

La découverte place le polyhydrure de tellure aux côtés de l'hydrure de soufre comme l'un des rares chalcogènes polyhydrures supraconducteurs connus. Bien que les chercheurs n'aient pas pu faire varier la pression de haut en bas pour voir comment le matériau se comportait en raison de la fragilité de leurs échantillons, les données qu'ils ont collectées fournissent une base solide pour comprendre comment les matériaux riches en hydrogène se comportent sous un stress extrême. Les résultats confirment qu'en comprimant ces éléments ensemble, il est possible de créer de nouveaux états de la matière qui conduisent l'électricité avec une efficacité parfaite à des températures qui, bien qu'encore très froides, sont plus chaudes que celles requises par les supraconducteurs traditionnels. Ce travail élargit la carte des matériaux supraconducteurs connus et offre une preuve supplémentaire que la promesse théorique de la supraconductivité à haute température des polyhydrures devient une réalité tangible.