Le couplage fort entre les vibrations atomiques localisées et les fluctuations de spin augmente l'absorption et la libération de chaleur, illustrées de bas en haut, dans un alliage magnétique à mémoire de forme, améliorant ainsi sa capacité de refroidissement à l'état solide. Crédit : Phoenix Pleasant/ORNL, Département américain de l'énergie
Les chercheurs ont réalisé des progrès significatifs dans la compréhension du mouvement de la chaleur à l’échelle atomique dans les matériaux, ce qui est crucial pour le développement d’une technologie de refroidissement à l’état solide.
Cette technologie, qui fonctionne sans réfrigérants ni pièces mobiles traditionnels, utilise des matériaux comme les alliages à mémoire de forme magnétique nickel-cobalt-manganèse-indium pour exploiter l'effet magnétocalorique pour un refroidissement efficace.
Une équipe de recherche dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a récemment comblé une lacune cruciale dans les connaissances sur le mouvement de la chaleur à l'échelle atomique. Cette nouvelle compréhension est prometteuse pour améliorer les matériaux et faire progresser une technologie émergente appelée refroidissement à l'état solide.
Progrès dans la technologie de refroidissement à semi-conducteurs
Innovation respectueuse de l'environnement, le refroidissement à l'état solide pourrait refroidir efficacement de nombreux objets de la vie quotidienne, des aliments aux véhicules en passant par l'électronique, sans utiliser de liquides et de gaz réfrigérants traditionnels ni de pièces mobiles. Le système fonctionnerait grâce à un système silencieux, compact et léger qui permettrait un contrôle précis de la température.
Bien que la découverte de matériaux améliorés et l’invention de dispositifs de meilleure qualité contribuent déjà à promouvoir la croissance de cette nouvelle méthode de refroidissement, une compréhension plus approfondie des améliorations apportées aux matériaux est essentielle. L’équipe de recherche a utilisé une série d’instruments de diffusion de neutrons pour examiner à l’échelle atomique un matériau que les scientifiques considèrent comme un candidat optimal pour une utilisation dans le refroidissement à l’état solide.
Exploration de l'effet magnétocalorique dans les alliages
Le matériau, une mémoire de forme magnétique en nickel-cobalt-manganèse-indium alliagepeut être déformé puis ramené à sa forme d'origine en le faisant passer par une transition de phase soit en augmentant la température soit en appliquant un champ magnétique. Lorsqu'il est soumis à un champ magnétique, le matériau subit une transition de phase magnétique et structurelle, au cours de laquelle il absorbe et libère de la chaleur, un comportement connu sous le nom d'effet magnétocalorique. Dans les applications de refroidissement à l'état solide, cet effet est exploité pour assurer la réfrigération. Une caractéristique clé du matériau est sa proximité avec des conditions désordonnées connues sous le nom d'états vitreux ferroïques, car elles présentent un moyen d'améliorer la capacité du matériau à stocker et à libérer de la chaleur.
Les magnons, également appelés ondes de spin, et les phonons, ou vibrations, se couplent dans une danse synchronisée dans de petites régions réparties dans l'agencement désordonné des atomes qui composent le matériau. Les chercheurs ont découvert que les modèles de comportement dans ces petites régions, appelés modes hybrides magnon-phonon localisés dans l'article de l'équipe détaillant la recherche, ont des implications importantes pour les propriétés thermiques du matériau.
La diffusion des neutrons montre que la capacité de refroidissement de l'alliage magnétique à mémoire de forme est triplée par la chaleur contenue dans ces modes hybrides magnon-phonon locaux qui se forment en raison du désordre du système. Cette découverte ouvre la voie à la fabrication de meilleurs matériaux pour les applications de refroidissement à l'état solide pour les besoins de la société.
— Michael Manley, chercheur principal au sein du groupe de diffusion des neutrons et des rayons X à l'ORNL
Des propriétés de matériaux innovantes pour un refroidissement amélioré
Les scientifiques ont révélé que les modes provoquent une modification ou un déplacement significatif des phonons en présence d'un champ magnétique. Les modes modifient également la stabilité de phase du matériau. Ces changements peuvent entraîner des modifications fondamentales des propriétés et du comportement du matériau qui peuvent être ajustées et personnalisées.
« La diffusion des neutrons montre que la capacité de refroidissement de l'alliage magnétique à mémoire de forme est triplée par la chaleur contenue dans ces modes hybrides magnon-phonon locaux qui se forment en raison du désordre du système », a déclaré Michael Manley de l'ORNL, responsable de l'étude. « Cette découverte ouvre la voie à la fabrication de meilleurs matériaux pour les applications de refroidissement à l'état solide pour les besoins de la société. »
Exploration des phases matérielles désordonnées
L’alliage magnétique à mémoire de forme étudié par l’équipe se trouve dans une phase qui a presque formé des conditions désordonnées connues sous le nom de verre de spin et de verre de contrainte – pas le verre familier utilisé dans les fenêtres et ailleurs, mais plutôt des phases non conventionnelles de la matière qui manquent d’ordre. Les moments magnétiques, ou minuscules aimants, associés aux atomes dans la phase de verre de spin sont orientés de manière aléatoire plutôt que de pointer dans la même direction. En comparaison, dans la phase de verre de contrainte, le réseau d’atomes est contraint à l’échelle nanométrique selon un motif désordonné et irrégulier. Le verre de spin et le verre de contrainte sont qualifiés de conditions frustrées dans un matériau car ils résultent d’interactions ou de contraintes concurrentes qui empêchent le matériau d’atteindre un état ordonné stable.
Conséquences pour le stockage de chaleur et le refroidissement à semi-conducteurs
« À mesure que le matériau se rapproche de cet état frustré, la quantité de chaleur stockée augmente », explique Manley. « Les interactions à longue et à courte portée se manifestent sous forme de vibrations localisées et d’ondes de spin, ce qui signifie qu’elles sont piégées dans de petites régions. C’est important car ces états vibratoires localisés supplémentaires stockent la chaleur. La modification du champ magnétique déclenche une autre transition de phase dans laquelle cette chaleur est libérée. »
Le contrôle des fonctions de l’alliage à mémoire de forme magnétique afin qu’il puisse être utilisé comme éponge thermique pourrait être un moyen de permettre un refroidissement efficace à l’état solide sans avoir recours à des réfrigérants ou à des composants mécaniques traditionnels.
Cette étude a été financée par la Division des sciences des matériaux et de l'ingénierie du Bureau des sciences du DOE. Une partie des travaux de diffusion des neutrons pour cette recherche a été réalisée au réacteur à isotopes à haut flux et à la source de neutrons de spallation, installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE à l'ORNL. Le National Institute of Standards and Technology du ministère du Commerce a également fourni des installations de recherche sur les neutrons.
