SODIUM ET HYDROGÈNE, UN SUPRACONDUCTEUR SUR LE PAPIER

Un supraconducteur transporte le courant électrique sans aucune résistance, sous une température critique, Tc. Pour les matériaux riches en hydrogène, les records sont spectaculaires : H₃S et LaH₁₀ deviennent supraconducteurs au-dessus de 200 kelvins. Mais seulement comprimés à environ un mégabar, à peu près un million de fois la pression atmosphérique. Tout l’enjeu est d’obtenir les mêmes performances à plus basse pression.

L’hydrogène aide parce qu’il est léger : ses atomes vibrent à très haute fréquence, et ces vibrations peuvent lier les électrons en paires qui portent le supercourant. Dans beaucoup des meilleurs hydrures, l’hydrogène ne forme plus de molécules H₂. Les composés où il reste groupé par paires passaient depuis longtemps pour de mauvais candidats, car la liaison forte au sein de chaque paire met ses électrons hors jeu.

Un composé trouvé en cherchant

Tianran Chen, de l’université du Tennessee, et Taner Yildirim, du Centre de recherche sur les neutrons du NIST, avaient déjà repéré l’hexahydrure de sodium, NaH6, dans une recherche informatique portant sur plus de 100 000 structures riches en hydrogène. Une étude indépendante lui prédisait aussi une Tc élevée. Ils l’ont examiné en détail — uniquement par le calcul :

• un algorithme évolutionnaire pour trouver les arrangements cristallins les plus favorables à chaque pression ;
• des calculs de mécanique quantique des électrons, des vibrations atomiques et de leur couplage, qui donnent Tc par une formule standard ;
• de la dynamique moléculaire à 300 kelvins, pour vérifier que les structures tiennent quand les atomes s’agitent.

Aucun échantillon n’a été synthétisé ni mesuré.

Deux cristaux, deux comportements

Les calculs révèlent un paysage encombré : à 50 gigapascals, 15 structures différentes sont stables, pour la plupart proches cousines de deux formes principales. Dans les deux, l’hydrogène forme des paires légèrement étirées.

• La forme cubique serait supraconductrice jusqu’à 230 kelvins à 50 gigapascals — environ −43 °C à un demi-mégabar — et encore 215 kelvins à 200 gigapascals.
• La forme rhomboédrique reste stable jusqu’à 10 gigapascals, où sa Tc prédite vaut 34 kelvins. Comprimée, sa Tc grimpe vite : 99 kelvins à 50 gigapascals, 157 à 90, environ 1,6 kelvin par gigapascal.

Les auteurs signalent un bémol. À 50 gigapascals, la forme cubique à 230 kelvins n’est pas l’arrangement le plus stable : elle se situe un peu au-dessus de l’énergie qui la ferait se décomposer en hydrure de sodium simple et en hydrogène. Elle ne résiste à cette décomposition qu’au-dessus de 60 gigapascals, et les deux formes échangent leur place vers 114 gigapascals. En dynamique moléculaire à 300 kelvins, la forme cubique reste intacte — sur quelques billionièmes de seconde.

Des paires d’hydrogène qui aident

La découverte la plus inattendue concerne le mécanisme. Les paires ne bloquent pas la supraconductivité. Chaque vibration fortement couplée aux électrons est une vibration visible en spectroscopie Raman, une technique courante de laboratoire ; les autres ne se couplent presque pas. En vérifiant 102 autres hydrures à 200 gigapascals, les auteurs ont retrouvé le même schéma : les vibrations actives en Raman se couplent en moyenne environ 40 fois plus fort que les autres.

Dans la forme rhomboédrique, la pression incline les paires d’hydrogène, de 4 degrés à 10 gigapascals à 21 degrés à 90. À mesure qu’elles s’inclinent, les vibrations clés se couplent plus fort — au même rythme que la Tc monte, alors que la structure électronique change à peine. Un modèle géométrique simple reproduit cette tendance, mais les auteurs insistent : c’est une interprétation, pas une preuve.

De l’écran au laboratoire

Ce sont des prédictions. Les températures calculées dépendent d’un paramètre standard mais ajustable, et 50 gigapascals représentent encore environ un demi-million d’atmosphères. Si elles se confirment, NaH6 montrerait que l’orientation des paires d’hydrogène est un nouveau bouton de réglage pour concevoir des supraconducteurs à hydrures. La parole est maintenant aux expérimentateurs.