Physique de l'hydrogène et d'autres éléments légers à haute pression. – HyLightExtreme

En 1935, Wigner et Huntington ont spéculé que la métallisation dans l’hydrogène devait avoir lieu à 25Gpa. Les expériences ont atteint 350GPa sans trouver la phase métallique, maintenant prédite à 400GPa. Cette discordance est emblématique de la physique riche et inattendue qui survient dans cette gamme de pression. Plusieurs phases cristallines ont été détectées à basse température mais la dissociation moléculaire n’a jamais pu être observée. La courbe de fusion du cristal moléculaire a un comportement réentrant avec une température maximale de 800K autour de 100 GPa et une décroissance en pression, ce qui suggère la présence d’un nouvel état quantique de la matière, un superfluide métallique ou un superfluide supraconducteur, stabilisé vis-à-vis de la cristallisation par les effets quantiques. Tenant compte des limitations expérimentales, une nouvelle ligne de pensée pour détecter la métallisation de l’hydrogène est d’étudier des hydrates comprenant la molécule H2 dans une matrice d’éléments plus lourds. Des matériaux particulièrement prometteurs sont le silane (H4S) et le sulfure d’hydrogène (H2S); ils ont été classés récemment comme des superconducteurs traditionnels avec une température critique particulièrement haute (190 K). D’autres matériaux très intéressants sont les hydrates de lithium, décrits aussi comme favorisant la métallisation et ayant un intérêt pour des applications technologiques.
L’hydrogène est aussi l’élément le plus abondant de l’univers, suivi de l’hélium, et il compose beaucoup d’objets astronomiques, par exemple Jupiter et Saturne dans notre système solaire. L’ingrédient de base des modèles planétaires est l’équation d’état de l’hydrogène, de l’hélium et de leurs mélange sur une grande gamme de pression, température et concentrations. Il est particulièrement important d’établir les transitions de démixtion des mélanges hydrogène-hélium et leur liaison avec la métallisation de l’hydrogène et de l’hélium. La localisation de ces transitions pourrait expliquer des observations expérimentales récentes sur les planètes. Des méthodes de simulations numériques de premiers principes ont été appliquées à l’hydrogène, aux éléments légers et aux hydrates sous compression. Cependant les méthodes traditionnelles type théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont des difficultés à fournir des prédictions précises de la métallisation. Les méthodes de Monte Carlo Quantique (QMC) n’ont pas a-priori ces limitations. Une difficulté supplémentaire est de prendre en compte les effets quantiques nucléaires qui sont significatifs à haute pression. Nous avons introduit récemment le ’Coupled Electron-Ion Monte Carlo" (CEIMC), basé entièrement sur la méthode QMC, dépassant les limitations précédentes, et bien adapté à l’hydrogène et aux éléments légers (hélium, lithium). Cette méthode a été appliquée jusqu’ici à la transition liquide-liquide dans l’hydrogène et à la courbe de Hugoniot dans le deutérium.
Notre projet est d’étudier par CEIMC la métallisation dans l’hydrogène et autres éléments légers tels que hélium, lithium et leur hydrates, ainsi que sa connexion avec les courbes de transition de phase. D’un point de vue méthodologique, nous voulons, avec l’aide de la Maison de la Simulation, intégrer le CEIMC dans un logiciel libre, afin de le diffuser et de faciliter son utilisation pour des systèmes avec des éléments plus lourds, pour lesquels une distinction doit être faite entre électrons de valence et de coeur. Par exemple la modélisation de l’eau par la DFT reste un défi. Avec le CEIMC, il sera possible de considérer la corrélation électronique, la dispersion et le caractère quantique des noyaux d’une manière unifiée et cohérente. Enfin, nous développerons des méthodes QMC pour les propriétés dynamiques, tels que conductivité.
Notre approche bâtira la prochaine génération de méthodes de simulation ab-initio pour des systèmes étendus, basées sur des techniques de corrélation électronique "exactes" telles que le QMC.