Comment les ions hydrogène s'écoulent à travers un cristal solide express
Dans un cristal solide, semblable à un gâteau en couches d'atomes de lanthane, d'oxygène et d'hydrogène, l'électricité n'est pas transportée par des électrons, mais par les ions hydrogène eux-mêmes. Habituellement, un ion dans un cristal reste dans sa cellule, comme un petit pois dans sa cosse, et ne saute que rarement dans une cellule voisine vide. Mais dans ce matériau, tout est différent.
Les physiciens ont irradié le cristal avec des particules subatomiques – des muons – qui se sont placés entre les atomes et ont « ressenti » le mouvement de leurs voisins. Il s'est avéré qu'autour de 160 degrés Kelvin (environ -113 degrés Celsius), les ions hydrogène commencent à se déplacer de manière coordonnée, comme des molécules dans une mélasse épaisse. Leurs sauts dépendent de la présence de sites vacants à proximité : pas de cellule vide, pas de saut.
Cette contradiction a conduit les scientifiques à penser que, lorsqu'il est chauffé, les ions hydrogène cessent de se comporter comme des particules individuelles et se transforment en une sorte de liquide visqueux qui « gèle » lors du refroidissement, comme du verre. Ce comportement explique pourquoi le cristal conduit si bien le courant par ions hydrogène.
On comprend maintenant mieux comment fonctionnent les électrolytes solides à hydrogène. Si l'on parvient à contrôler ce « liquide » à l'intérieur du cristal, on pourrait créer des batteries et des piles à combustible qui fonctionnent plus rapidement et plus fiablement.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.00852
We performed muon spin rotation and relaxation ($$\mu$$SR) experiments to investigate the microscopic mechanism behind the high ionic conductivity ($$\sigma$$) exhibited by hydride (H$$^-$$) ions in lanthanum hydroxide LaH$$_{3-2x}$$O$$_x$$. The $$\mu$$SR spectra observed at 5--300 K in a sample with $$x\approx0.25$$ consist primarily of two components which are attributed to muons occupying tetrahedral (Tet) and octahedral (Oct) sites common to H$$^-$$. The spectra also indicate that muons at the Oct sites (Mu$$_{\rm O}$$) appear nearly stationary in the time scale of $$\mu$$SR ($$\sim$$10$$^{-5}$$ s), whereas those at the Tet sites (Mu$$_{\rm T}$$) are subject to the fluctuating local fields. The cusp-like peak in the fluctuation rate around 160 K and the decrease in linewidth at higher temperatures probed by Mu$$_{\rm T}$$ suggest that the jump motion of both Mu$$_{\rm T}$$ (via the vacant Oct sites) and surrounding Oct-site H$$^-$$ contributes to spin relaxation and that the fluctuation frequency is widely distributed. These results indicate that the implanted Mu behave as Mu$$^-$$ and that the jump motion of Mu$$^-$$/H$$^-$$ is restricted by the availability of nearby vacant sites. On the other hand, the activation energy for the jump is estimated to be 0.11(3) eV, which is significantly different from $$\sim$$1.3 eV evaluated from the temperature dependence of $$\sigma$$ at high temperatures ($$\gtrsim400$$ K). In our attempt to resolve this discrepancy, we discuss problems inherent in interpreting $$\sigma$$ using the Arrhenius equation, and demonstrate that the behavior of H$$^-$$ ions can be better explained as a viscous fluid exhibiting a glass transition.
Le muon utilisé pour « sonder » le cristal ne vit que deux millionièmes de seconde, mais pendant ce temps, il parvient à révéler le mouvement des ions voisins.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Rendez-vous avec Rama », un vaisseau extraterrestre utilise des matériaux solides avec une fluidité interne inhabituelle – un peu comme ce cristal.