Récupérer les fluctuations thermiques pour générer de l'électricité ?
Publié par Adrien le 10/12/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Découvert indirectement sur un dispositif expérimental de spintronique, des chercheurs et des chercheuses ont élaboré un nouveau concept permettant de récupérer de l'énergie à partir des fluctuations de la température ambiante.

La spintronique est une extension de l'électronique qui exploite les propriétés magnétiques des électrons (spin ↑ ou spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique....) ↓) et qui préfigure l'électronique de demain dans le domaine de l'information et la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...). À l'instar des jonctions tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur...) pour l'électronique, les jonctions tunnel magnétiques sont des composants prototypiques des dispositifs de spintronique. Elles sont constituées d'un empilement de deux électrodes ferromagnétiques, par exemple du cobalt (Co), séparées par une couche isolante très fine, par exemple de l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de magnésium (MgO) au travers de laquelle le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) peut passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par l'effet quantique appelé effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du module...). Cet effet conserve les propriétés quantiques de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), dont son spin. La différence de résistance au passage du courant entre les deux électrodes selon l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) relative de leur aimantation, parallèle ou antiparallèle, s'appelle magnétorésistance tunnel, et son amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) traduit le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) de spin (c'est-à-dire l'excès d'alignement des spins ↑ par rapport aux spins ↓ ou réciproquement) du courant tunnel.


Schéma de principe du générateur à spin: à droite et à gauche les deux électrodes, et au centre, les niveaux d'énergie discrets, spin ↑ en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et spin ↓ en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une...), d'un centre paramagnétique. Ces niveaux sont peuplés aléatoirement par des fluctuations thermiques (flèches circulaires violettes). Dans l'expérience, il s'agit d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) de C dans MgO. Lors des fluctuations du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal...) des électrons par effet tunnel (jaune), le spin est conservé. En utilisant des électrodes chacune conductrice pour une seule des deux orientations de spin, les fluctuations de transport s'effectuent entre l'électrode et le niveau discret de spin correspondant. Dans l'expérience, les deux électrodes avec leurs interfaces Co/C d'aimantation antiparallèle sélectionnent ainsi des spins opposés et la différence d'énergie des niveaux de transport par fluctuations engendre de fait une tension (La tension est une force d'extension.) spontanée entre les électrodes.

Afin d'améliorer les performances de la spintronique, il est ainsi souhaitable d'augmenter la polarisation de spin du courant. Une piste prometteuse est l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) ferromagnétique et un composé organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.). Afin de tester cette piste dans un dispositif de spintronique, des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg) et de l'Institut Jean Lamour à Nancy (IJL, CNRS/Univ. Lorraine) ont intégré des interfaces cobalt/carbone (Co/C) aux interfaces de jonctions tunnel magnétiques Co/MgO/Co. Ils ont mesuré, à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ambiante, une magnétorésistance tunnel conséquente, ce qui prouve que de telles interfaces polarisent fortement en spin le courant qui les traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...). Ceci confirme ainsi l'utilité de ces interfaces pour la spintronique.

De manière tout-à-fait inattendue, les scientifiques ont également observé la génération de courants et de tensions électriques, alors que le dispositif est normalement passif. Ils ont ensuite écarté les artefacts envisageables tels des effets thermo- ou photo-induits. La finesse spectrale des mesures, cent fois meilleure que celle due à l'élargissement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) à température ambiante, suggère des mécanismes de transport non classiques et l'intervention d'états électroniques discrets refroidis.

S'inspirant des avancées théoriques et expérimentales de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes...) quantique depuis environ 10 ans, et avec l'aide de collègues de l'Institut de chimie de Strasbourg (IC, CNRS/Univ. Strasbourg) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) d'Uppsala en Suède, les chercheurs et chercheuses ont alors proposé le mécanisme suivant. La génération d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) a pour origine la récupération de l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps sont appelés transferts de chaleur et...) présente sur les états électroniques discrets et polarisés en spin de centres paramagnétiques présents au sein de la barrière tunnel. Sur ces centres, l'aimantation varie de manière aléatoire en raison des fluctuations thermiques entre les deux niveaux d'énergie correspondants aux états spin ↑ et ↓. Grâce aux interfaces Co/C, le courant tunnel depuis ces centres est fortement polarisé en spin et, lorsque l'aimantation des deux interfaces est antiparallèle, des fluctuations de courant électrique de spin opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits...) s'effectueront vers chaque électrode à une énergie différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) (figure). Cette différence d'énergie génère une tension spontanée, qui conduit à un courant lorsque le circuit est fermé. Avec ce mécanisme, on réalise donc un générateur à spin qui récupère l'énergie des fluctuations thermiques du milieu environnant pour fournir de l'électricité.

Plusieurs mécanismes analogues de générateur à spin avaient déjà été mis en évidence, mais à très basse température et grâce à des matériaux plus exotiques: ces résultats montrent que le concept peut fonctionner à température ambiante et avec des matériaux couramment utilisés dans l'industrie. En extrapolant la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) générée aux densités des jonctions tunnel magnétiques à base de MgO déjà commercialisées, la puissance surfacique pourrait excéder celle de l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) solaire terrestre. La spintronique, déjà envisagée au-delà de son domaine historique de l'information et de la communication dans certaines applications en énergie, pourrait alors apporter une contribution majeure aux enjeux énergétiques actuels. Mais la simplicité apparente des matériaux utilisés (Co, C, MgO) masque la nécessité de contrôler la position d'atomes au sein de ceux-ci, ce qui reste un défi technologique majeur. Ainsi, la présence de centres paramagnétiques a très probablement été induite fortuitement par une migration d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) au sein de MgO induite par recuit lors des étapes de fabrication. L'objectif est maintenant d'introduire de manière contrôlée des centres paramagnétiques au sein de dispositifs spintroniques pour observer l'effet de façon systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne...).

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 et M. Bowen, Communications Physics, le 25 septembre 2019.
DOI: 10.1038/s42005-019-0207-8.
Lire l'article sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.
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