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L'Institut Jean Lamour est un laboratoire de recherche en Science des Matériaux : matériaux, métallurgie, plasmas, surface, électronique, nanomatériaux. C'est une unité mixte de recherche (7198) de l'Université de Lorraine et du CNRS.


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Article dans Communications Physics : Combiner spintronique et thermodynamique quantique pour récolter de l’énergie à température ambiante

Des chercheurs de l'Institut Jean Lamour sont les co-auteurs d'un article paru le 25 septembre dans Communications Physics. Avec des collègues de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, de l'Institut de Chimie de Strasbourg (CNRS - Université de Strasbourg) et de l'Université d'Uppsala en Suède, ils ont conçu un dispositif permettant de produire de l’électricité grâce à la température ambiante. Fabriqué en série avec de forts taux de rendement, ce dispositif associant électronique de spin et thermodynamique quantique, pourrait apporter une solution durable et propre aux besoins de la planète en énergie.


Les scientifiques ont dû faire appel à la thermodynamique quantique, qui permet de comprendre le fonctionnement des moteurs quantiques, afin d’expliquer leur découverte dans le domaine de l’électronique de spin.

Les expériences et analyses menées par l’équipe montrent qu’il est possible d’assembler un générateur électrique utilisant le spin de l’électron pour collecter les fluctuations thermiques à température ambiante. En se référant au schéma du moteur, la collecte de la température ambiante a lieu sur des centres paramagnétiques (PM) - des aimants au niveau de l’atome dont l’orientation fluctue en raison de la chaleur. Les électrodes du moteur, appelées sélecteurs spintroniques, ne permettent qu'à des électrons d’un seul spin (↑ en rouge ou ↓ en bleu) de passer. Comme la chaleur mélange le spin des électrons du centre PM (au milieu) avec des niveaux d'énergie de spin séparés énergétiquement, le transport (lignes jaunes) entre le centre PM et les électrodes se produit à des niveaux d'énergie différents pour chaque électrode. Cela provoque l'apparition d'une tension spontanée entre les électrodes et donc la formation d'un courant spontané une fois le circuit électrique fermé.

L’équipe a utilisé des théories analytiques et ab-initio pour établir un lien entre ce concept de moteur à spin et des expériences menées à température ambiante sur un dispositif spintronique appelé jonction tunnel magnétique (MTJ). Ici, l'interface entre le métal ferromagnétique Co et les atomes de carbone a été utilisée comme sélecteur spintronique, et des atomes de carbone se substituant à des atomes d'oxygène dans la barrière tunnel de MgO en tant que centres de PM.

Si de tels dispositifs pouvaient être fabriqués en série avec un rendement élevé, au vu des densités actuelles de MgO MTJ dans les mémoires de nouvelle génération, ce concept pourrait aboutir à des puces produisant de manière continue de l'énergie électrique avec une densité de puissance surfacique trois fois supérieure au rayonnement solaire.

Il reste à présent à confirmer certains aspects fondamentaux du fonctionnement de ce moteur et à obtenir la reproductibilité du dispositif.

Déployer une telle technologie de rupture afin d’endiguer la catastrophe climatique imminente nécessitera au cours des 10 prochaines années un effort conséquent et efficace, à l’instar du projet Manhattan, associant, au niveau international, des scientifiques, des décideurs politiques/économiques et des experts industriels en technologies MTJ.

Ce projet a bénéficié du soutien financier de : l'Institut Carnot MICA (projet "Spinterface"), l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-09-JCJC-0137, ANR-14-CE26-0009-01), le "Symmix" du Labex NIE (ANR-11-LABX-0058 NIE) et Vetenskapsrådet.

Ce travail a été réalisé avec les ressources HPC du mésocentre de Strasbourg et du programme GENCICINES Grant 2016-gem1100.


Références :

Spin-driven electrical power generation at room temperature
K. Katcko, E. Urbain, B. Taudul, F. Schleicher, J. Arabski, E. Beaurepaire, B. Vileno, D. Spor, W. Weber, D. Lacour, S. Boukari, M. Hehn, M. Alouani, J. Fransson & M. Bowen.

Communications Physics, 25 septembre 2019

https://www.nature.com/articles/s42005-019-0207-8

Contact IPCMS : Martin BOWEN, martin.bowen@ipcms.unistra.fr
Contact IJL : Daniel LACOUR, daniel.lacour@univ-lorraine.fr