Le polyhydrure de tantale rejoint la classe émergente des produits de haute qualité

Jul 17, 2023

Le polyhydrure de tantale devient un supraconducteur à une température de 30 K et à des pressions d'environ 200 gigapascals (GPa), affirment des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences de Pékin. C'est la première fois que la supraconductivité est observée dans un hydrure fabriqué à partir d'un métal de transition du groupe 5, et les membres de l'équipe de recherche affirment que cette découverte pourrait ouvrir la voie à la synthèse de l'hydrogène métallique.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui transportent du courant électrique sans résistance électrique lorsqu'ils sont refroidis en dessous de leur température de transition supraconductrice (Tc). Ils sont utilisés dans des applications allant des aimants à champ élevé dans les scanners IRM et les accélérateurs de particules aux bits quantiques dans les ordinateurs quantiques. Cependant, la Tc de la plupart des supraconducteurs n'est que de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, et même les supraconducteurs dits à haute température doivent être refroidis en dessous de 150 K avant de pouvoir conduire l'électricité sans résistance. Les chercheurs cherchent donc à développer des matériaux qui restent supraconducteurs à des températures plus élevées, et idéalement à température ambiante.

En théorie, l’état métallique de l’hydrogène, qui devrait se produire à des pressions extrêmement élevées, devrait être supraconducteur à température ambiante. Malheureusement, il est très difficile de rendre l’hydrogène pur métallique. Comme alternative, les scientifiques ont commencé à étudier les hydrures, qui sont des composés constitués d’hydrogène et d’un métal.

Au cours des dernières années, il a été démontré que l'hydrure de soufre et les polyhydrures sont tous deux supraconducteurs à des températures supérieures à 200 K, mais seulement à des pressions plus d'un million de fois supérieures à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Les autres matériaux supraconducteurs de cette classe comprennent les hydrures de terres rares comme LaH10 et YH9 et les hydrures alcalino-terreux comme CaH6. Les hydrures contenant du zirconium, du lutécium et de l'étain se sont également révélés avoir une Tc modérément élevée.

La plupart des métaux de transition 3D ont des spins électroniques locaux qui ont tendance à présenter des fluctuations magnétiques qui s'opposent à la supraconductivité. Pour cette raison, les chercheurs se sont tournés vers les métaux de transition 5d tels que Hf et Ta. En effet, le polyhydrure d'hafnium devient supraconducteur vers 83 K.

Une équipe de chercheurs dirigée par Changqing Jin a synthétisé un hydrure supraconducteur supplémentaire, le polyhydrure de tantale (TaH3). Ils ont réalisé leur expérience en plaçant le matériau dans une cellule à enclume en diamant et, à une pression de 200 GPa, ils ont observé qu'il était supraconducteur à environ 30 K. Cela en fait le premier hydrure supraconducteur fabriqué à partir de métaux du groupe 5, explique Jin. et ses collègues, qui ont étudié la phase supraconductrice en utilisant des mesures de conductance électrique in situ ainsi que des mesures de diffraction des rayons X à haute pression.

Preuve d'une supraconductivité « proche de l'ambiante » trouvée dans l'hydrure de lutétium

Jin explique que le tantale a une tolérance élevée aux éléments interstitiels et peut accueillir plus de trois atomes d'hydrogène dans son réseau. Cependant, ces atomes sont trop espacés les uns des autres pour que les électrons puissent sauter directement entre différents sites du matériau et produire un courant électrique sans dissipation. "Nous suggérons donc que la supraconductivité que nous avons observée est liée à l'hybridation entre les orbitales de Ta et H", explique-t-il à Physics World. "Cela est totalement différent de ce qui est attendu pour les supraconducteurs à base d'hydrure de calcium ou de polyhydrure de terres rares, dans lesquels les électrons peuvent sauter directement entre des atomes d'hydrogène adjacents qui forment une cage très dense."

L'observation de la supraconductivité dans TaH3 implique que l'hydrogène métallique pourrait être réalisé en métallisant une liaison covalente entre H et d'autres éléments. Les chercheurs, qui rendent compte de leurs travaux dans Chinese Physics Letters, déclarent qu'ils envisagent désormais d'explorer d'autres supraconducteurs polyhydrides contenant ces liaisons covalentes.