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Récolter les fluctuations thermiques pour générer de l’électricité

29/01/2020

En étudiant des dispositifs d’électronique de spin, Martin Bowen, chercheur à l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg, et son équipe ont découvert par hasard une nouvelle façon de produire de l’énergie à partir de la température ambiante qui implique la physique quantique.

Martin Bowen et son équipe travaillent
sur une nouvelle forme de production
d’énergie. Photo LF

« Transformer l’énergie solaire en électricité existe depuis longtemps. Mais cette énergie n’est pas disponible tout le temps et le rendement électrique des moteurs proposés reste faible », explique en préambule Martin Bowen. Son équipe propose un autre dispositif doté d’un moteur qui fonctionne lorsque la thermodynamique quantique est appliquée à la spintronique.

Ce moteur opère dans une jonction tunnel magnétique (JTM), un nano dispositif de spintronique déjà utilisé dans les disques durs ou encore les futures mémoires (STT-MRAM). Dans la JTM, le courant traverse un empilement de deux électrodes ferromagnétiques séparées par une couche isolante ultrafine d’oxyde de magnésium (MgO) par effet tunnel. « Cet effet tunnel conserve les paramètres quantiques de l’électron, dont son spin, c’est à dire de manière imagée le sens de rotation de celui-ci (spin ↑ ou spin ↓, en rouge et bleu dans le schéma). La spintronique représente ainsi un vecteur prometteur vers un débouché industriel de la physique quantique.»

Deux ingrédients clés

Le moteur nanoscopique proposé contient deux ingrédients clés sur lesquels Martin Bowen a travaillé ces 20 dernières années : la sélection par les électrodes de la JTM d’électrons d’un seul type de spin, et les propriétés du nanocanal de transport au travers de la barrière tunnel. Ce canal contient ici des nano-aimants appelés centres paramagnétiques. Pour opérer cette sélection de spin, l’équipe utilise l’interface entre un matériau ferromagnétique et de la matière organique, dans ce cas, des atomes de carbone. En collaborant avec Daniel Lacour et Michel Hehn de l’Institut Jean Lamour à Nancy, et épaulée par la plateforme STNano de Strasbourg, l’équipe a intégré ces interfaces au sein de JTMs.

Les expériences montrent que la sélection de spin de ces interfaces engendre bien la forte performance spintronique escomptée. En revanche, la génération d’électricité était totalement inattendue. Selon des théories élaborées à l'IPCMS et par Jonas Fransson (Uppsala, Suède), ceci traduirait la présence fortuite d’atomes de carbone dans la barrière de MgO. Ces atomes jouent dans le moteur le rôle de fluctuateurs paramagnétiques où s’effectue la récolte d’énergie par voie spintronique (voir encadré). Contrôler les lacunes d’oxygène dans MgO, qui accueillent ici les atomes de carbone, reste un défi et explique la difficulté pour reproduire ces résultats. « Une voie moléculaire, bien que moins technologiquement avancée, pourrait résoudre ce défi de manière élégante. »

Le moteur de spin récolte les fluctuations
thermiques de nano-aimants pour générer
une tension (cf encadré). Crédit DR

Physique quantique à température ambiante

Alors que les expériences de physique quantique sont habituellement menées à basse température, ces travaux montrent que le moteur peut fonctionner à température ambiante, avec des matériaux et dispositifs couramment utilisés dans l'industrie. Martin Bowen espère que cette technologie pourra un jour être commercialisée. « Nous n’avons pas encore compris toute la physique en jeu lorsque l’électron traverse le moteur. Pourtant, le dispositif permettrait d’utiliser la chaleur comme énergie avec une puissance surfacique qui pourrait excéder celle de l’irradiation solaire terrestre.» Une nouvelle forme de production d’énergie grâce à la physique quantique qui apporterait une contribution majeure aux enjeux énergétiques actuels.

Marion Riegert

Comment récolter la chaleur ?

Important information

En raison de la chaleur ambiante (en violet dans le schéma), l’orientation du nano-aimant du centre paramagnétique, et ainsi la population électronique de ses niveaux énergétiques résolus en spin (barres horizontales rouges et bleues du schéma), fluctue de manière aléatoire. En écartant énergétiquement ces niveaux, les fluctuations de transport tunnel depuis/vers les électrodes s’effectuent à des énergies différentes selon le spin de l’électron. Il suffit alors de forcer les électrons d’un spin donné à transiter vers seulement l’une des deux électrodes (barres verticales rouges et bleues du schéma) pour faire apparaitre une tension aux bornes du dispositif.