Une étude, dont les résultats intitulés «Insulator-metal transition in dense fluid deuterium» sont publiés dans la revue Science, révèle de quelle manière l’hydrogène se transforme en métal à l’intérieur des planètes géantes gazeuses.

Comme «à l’intérieur de nombreuses planètes extrasolaires, mais aussi de Jupiter et Saturne, l’hydrogène métallique, dense et tourbillonnant, domine», il s'avère nécessaire «de décrire finement la transition entre l’hydrogène moléculaire et l’hydrogène métallique dans la phase fluide très dense» pour «élaborer des modèles précis de ces planètes géantes»: en effet, «le caractère continu ou discontinu de cette transition ainsi que sa localisation thermodynamique sont très discutés car il existe une grande dispersion des différents résultats expérimentaux et des calculs».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée vient d'obtenir, dans la grande installation laser NIF, «une détermination expérimentale de référence», qui «a été rendu possible par une compression dynamique parfaitement contrôlée d’une cible cryogénique de deutérium et des mesures optiques de vitesse de compression et de réflectivité de très grande qualité».

Rappelons ici que «des décennies de recherche ont permis de découvrir que la combinaison de pressions et de températures élevées transformait progressivement l’hydrogène fluide dense en un fluide conducteur électrique». Comme «en dessous de 3000 kelvin, c’est essentiellement l’augmentation de densité qui permet ce passage fluide isolant-conducteur», dans cette configuration on parle «d’hydrogène métallique fluide».

Alors que «les simulations numériques laissent penser qu’en-dessous de 2 000 kelvin, cette transition isolant-métal pourrait être discontinue (du premier ordre)», le niveau de pression nécessaire n’avait «pas encore été déterminé avec certitude du fait de la divergence entre les différents modèles mais également entre expériences».

L'astuce de cette étude a alors été de «concevoir une expérience qui pourrait comprimer dynamiquement un échantillon d’hydrogène fluide à plusieurs millions d’atmosphères de manière suffisamment douce (sans choc fort) pour qu'il reste froid ou en-dessous de 2 000 kelvin» et d'obtenir «des données permettant de discriminer entre les différents modèles théoriques».

Une série de cinq expériences a été ainsi «réalisée au sein de l’installation laser NIF de Livermore» (LLNL) et a fourni «une signature claire de la transition métallique» permettant «d’identifier dans le domaine pression-température, les conditions précises auxquelles a lieu la transition».

Concrètement, «une fine couche de deutérium cryogénique liquide (un isotope lourd de l’hydrogène)» a d’abord été condensée «en le refroidissant à 21 kelvin (-252,5°C)». Ensuite, une séquence de propagation d’ondes de choc a été créée «en utilisant 168 faisceaux laser du NIF, comprimant le deutérium liquide à 600 GPa (soit 6 millions d’atmosphères, presque deux fois la pression au centre de la Terre) tout en conservant la température entre 1 000 et 2 000 kelvin».

Si, au départ, «l'échantillon était complètement transparent», au fur et à mesure que la pression augmentait, «il est devenu opaque avant de se transformer en un métal brillant dont la grande réflectivité optique est la preuve de sa grande conductivité électrique».

Pour avoir accès aux propriétés optiques de l’hydrogène, «la réflectivité de l’échantillon et le déplacement Doppler de la surface ont été enregistrés par un instrument de diagnostic optique ultrarapide, le VISAR». Au bout du compte, «l’examen attentif des signaux a procuré de nouvelles informations sur l’indice de réfraction et le coefficient d’absorption dans l’échantillon».