Contexte expérimental

Le groupe dirigé par Alexis Forestier a comprimé des micro‑échantillons d’eau entre les pointes de diamants, atteignant une pression de 230 gigapascals (environ 2,3 millions d’atmosphères). Des lasers ont ensuite porté la température jusqu’à 2 630 kelvins (2 357 °C), bien au‑delà du point d’ébullition habituel de l’eau. La structure cristalline a été interrogée avec un faisceau très fin de rayons X synchrotron, permettant de suivre les changements atomiques en temps réel.

Dans ces conditions extrêmes, l’eau ne se comporte plus comme un simple liquide ou solide. Le réseau d’oxygène reste figé, formant une maille cristalline, tandis que les noyaux d’hydrogène se déplacent librement à travers ce réseau, caractéristique d’un état superionique. Ce comportement apparaît dès 1 700 kelvins, où l’expansion thermique du cristal indique la mobilité des protons.

Caractérisation de la phase hcp superionique

Les mesures de diffraction ont révélé une configuration hexagonal close‑packed (hcp), distincte de la forme face‑centered cubic (fcc) déjà connue. À 155 GPa et 2 000 K, le signal X‑ray montre un mélange fcc/hcp. En augmentant à 197 GPa et 2 250 K, l’intensité du pic hcp domine, et à 219 GPa et 2 630 K, le pic fcc disparaît presque complètement, confirmant la stabilité de la phase hcp sous ces conditions.

Une analyse rétrospective d’expériences antérieures a identifié un pic de diffraction non attribué au‑dessus de 130 GPa, qui correspond aujourd’hui à la même structure hcp, montrant que la phase était déjà produite mais non reconnue.

Implications planétaires

Les pressions et températures étudiées reproduisent celles attendues dans les manteaux de Uranus et Neptune. Si la glace hcp superionique possède une conductivité électrique différente de la fcc, elle pourrait modifier les modèles de transport de charge à l’intérieur de ces planètes, influençant ainsi la génération de leurs champs magnétiques asymétriques. La stabilité apparente de la phase hcp au‑dessus de 200 GPa suggère qu’elle pourrait être la forme dominante de glace superionique dans les profondeurs planétaires.

Limites et perspectives

Les propriétés exactes de la glace hcp – notamment sa plasticité mécanique et sa conductivité électrique – restent non mesurées. Les auteurs appellent à des calculs théoriques détaillés et à de nouvelles expériences de diffraction à plus haute résolution pour délimiter précisément le diagramme de phase hcp/fcc. La découverte montre que la phase hcp était déjà accessible, mais son identification nécessite des protocoles d’analyse plus ciblés.