La compréhension des composés riches en hydrogène sous haute pression est essentielle pour sonder l’intérieur des planètes et concevoir de nouveaux matériaux quantiques. Les hydrates d’hydrogène (HH), où des molécules d’hydrogène sont piégées dans un réseau cristallin d’eau, constituent à cet égard un système modèle unique. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un modèle quantique associé à des expériences de diffraction X et de spectroscopie Raman pour explorer la phase C2.
L’équipe a ainsi mis en évidence un phénomène de « double quantum locking » dans lequel la symétrisation des liaisons hydrogène dans le réseau de glace et l’alignement des molécules d’hydrogène piégées évoluent à l’unisson. Ces transformations conjointes, qui mènent à l’apparition d’une phase ordonnée pour l’orientation des molécules d’hydrogène, se manifestent à des pressions bien plus faibles que dans l’hydrogène pur en raison des fortes interactions entre le sous-réseau de glace et celui de dihydrogène. Ces travaux permettent d’affiner le diagramme de phase des hydrates à haute pression et mettent en lumière leur intérêt comme systèmes modèles pour explorer les phénomènes quantiques en régime de confinement extrême.
Ces travaux viennent de paraître dans la revue PNAS.
Diagramme de phase de l’hydrate d’hydrogène C2 : de la rotation libre à l’ordre moléculaire.
Ce graphique illustre l’ordonnement des molécules d’hydrogène emprisonnées dans la glace en fonction de la pression et de la température. Les couleurs en arrière-plan montrent comment l’hydrogène passe d’un état de rotation libre à un état ordonné. Les points et carrés représentent nos données expérimentales.
On observe un phénomène clé : dès que les molécules d’hydrogène s’alignent (passant d’une phase « plastique » à une phase « nématique » ou « en chevrons »), elles provoquent une déformation de la structure de la glace, qui passe d’une forme cubique (symboles pleins) à une forme tétragonale (symboles vides).
En savoir plus :
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2526369123
Informations complémentaires :
Laboratoire de physique de L’École normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)
Auteur correspondant : Marco Saitta
Contact communication : L’équipe de communication