Découverte d’étranges supraconducteurs défiant un principe chimique fondamental

En cas de fluctuation de la pression, les éléments chimiques peuvent se comporter de manière inattendue. Sous haute pression, le lithium et le césium formeraient d’étranges composés supraconducteurs, défiant le principe conventionnel de l’électronégativité et montrant des structures cristallines inédites. Ces composés, découverts par le biais d’un algorithme à haute précision, suggèrent l’existence d’une voie inexplorée de la supraconductivité à haute température.

Dans une étude datant de l’année dernière, des scientifiques ont bouleversé la notion d’électronégativité en y intégrant la haute pression. L’électronégativité est une propriété des éléments chimiques traduisant la capacité de leurs atomes à céder ou à capter des électrons au cours de réactions chimiques. À mesure qu’elle diffère pour deux éléments hypothétiques, la réaction engendrée par leur liaison n’en est que plus forte.

Prenons par exemple la réaction du sodium avec le cuivre et l’eau. Si l’on plonge un morceau du métal dans l’eau, aucune réaction visible ne se produit. En revanche, si l’on y ajoute du sodium, la réaction chimique est si violente qu’elle génère suffisamment de chaleur pour liquéfier complètement le sodium. Ce dernier a une électronégativité si faible qu’il cède facilement ses électrons aux atomes des autres éléments présents. Ainsi, l’électronégativité est l’une des propriétés fondamentales des éléments chimiques, déterminant avec quoi et comment ils réagissent, ainsi que le type de liaisons et les propriétés que posséderont les composés résultant de la réaction.

Cependant, ce principe conventionnel d’électronégativité s’applique uniquement aux conditions standards de pression atmosphérique terrestre. En effet, les éléments chimiques sont fortement susceptibles de réagir différemment en cas de variation de pression, telles que celles régnant sur d’autres planètes. À titre d’exemple, sous l’effet de pressions suffisamment élevées, toute substance devient métallique, tandis que d’autres forment des composés, etc.

Une nouvelle étude, décrite dans la revue Nano Letters, corrobore cette nouvelle notion d’électronégativité, en associant deux éléments qui, en temps normal, ne s’associent jamais pour former un composé : le lithium et le césium. Sous l’effet de la haute pression, différents composés peuvent en découler. Alors que certains d’entre eux ont antérieurement été identifiés, les chercheurs ont conçu un algorithme de modélisation plus précis pour en prédire d’autres. Ces nouveaux composés feraient preuve d’une plus grande stabilité, d’une structure cristalline inédite et d’une supraconductivité (absence de résistance électrique) à « haute température » (environ -219 °C à une pression de 380 GPa pour l’un des composés).

Une électronégativité inversée

Découverts par des chercheurs de l’Université normale de Jiangsu, de l’Université du Nevada, de l’Université technique d’État de Samara et de l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech), les nouveaux composés ont été prédits par un algorithme appelé USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). Dans des conditions normales (c’est-à-dire, selon le principe conventionnel d’électronégativité), le lithium est censé capturer les électrons du césium, qui est l’élément le plus électropositif (qui cède très facilement des électrons) du tableau périodique. Cependant, sous l’effet de la haute pression, le principe s’est complètement inversé : le césium a capturé les électrons du lithium.

Ce comportement chimique très inhabituel a donné naissance à 4 étranges composés : Li ₁₄ Cs, Li ₈ Cs, Li ₇ Cs et Li ₆ Cs. Deux d’entre eux — Li ₁₄ Cs et Li ₆ Cs — possèdent des structures cristallines jamais observées auparavant. « C’est une chose assez rare pour des composés de seulement deux éléments », indique Artem R. Oganov, coauteur principal de l’étude et chercheur à Skoltech.

En outre, les quatre composés seraient capables de conduire l’électricité avec une résistance et une perte d’énergie nulle. Plus précisément, il s’agit de supraconducteurs à température critique élevée, obtenus par le biais d’une topologie structurelle particulière et une inversion de l’électronégativité (le transfert de charge du lithium vers le césium). Cette propriété est particulièrement intéressante pour concevoir des réseaux électriques d’une efficacité très élevée, des puces électroniques ultrarapides et des électroaimants si puissants qu’ils seraient capables de faire « léviter » un train ou contrôler des réacteurs à fusion.

Cependant, « d’un point de vue technologique, ces températures critiques ne sont pas bonnes par rapport à ce que nous avons vu dans les polyhydrures — les composés riches en hydrogène de certains métaux », souligne Oganov. Néanmoins, les résultats de l’étude améliorent notre compréhension de la chimie du lithium et pourraient découler sur de nouveaux supraconducteurs adaptés à l’utilisation au sein d’un matériau. En effet, à l’instar de l’hydrogène, le lithium ne possède qu’un électron de valence et fait partie des éléments les plus légers. Ces spécificités sont hautement favorables à la supraconductivité à haute température.

« Nos résultats étendent non seulement une compréhension approfondie du comportement à haute pression des composés intermétalliques, mais fournissent également une nouvelle voie pour concevoir de nouveaux supraconducteurs », écrivent les chercheurs dans leur document.

Source : Nano Letters