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Matériaux magnétocaloriques avancés pour la réfrigération adiabatique – Matadire

Matériaux magnétocaloriques avancés pour la réfrigération adiabatique (Matadire)

La réfrigération à basse température devient de plus en plus importante pour un grand nombre de technologies scientifiques allant des télescopes spatiaux à l'informatique quantique et à la médecine. Nous suggérons d'améliorer considérablement la technologie existante de réfrigération à démagnétisation adiabatique (ADR) en effectuant des recherches fondamentales et appliquées conjointes sur de nouveaux matériaux réfrigérants, en premier lieu les aimants frustrés.

Étude des propriétés magnétocaloriques de matériaux candidats sélectionnés

Les technologies ADR existantes utilisent des sels paramagnétiques disponibles dans le commerce qui sont efficaces à basse température de 0.1 à 0.2 K. Pour développer la réfrigération magnétique en une technique de refroidissement compétitive pour une large plage de températures de 0.1 à 4 K, nous avons effectué des recherches expérimentales et théoriques détaillées sur plusieurs matériaux réfrigérants prometteurs. <br /> Choix des matériaux étudiés : grenat géométriquement frustré Yb3Ga5O12, dont les propriétés magnétocaloriques n'ont pas été étudiées jusqu'à présent, et un aimant dipolaire GdLiF4, qui n'a été que partiellement étudié auparavant. Pour ces deux matériaux nous avons tenté le programme de recherche suivant :<br />— Caractérisation fondamentale qui comprend la croissance de monocristaux de bonne qualité, les mesures de capacité calorifique et d'aimantation pour évaluer leurs propriétés magnétocaloriques pour des températures allant de 0.5 à 4K et des champs jusqu'à 8T ; étude de leur conductivité thermique qui est une propriété essentielle pour les applications ADR ; calculs théoriques basés sur les Hamiltoniens de spin, y compris les simulations classiques de Monte Carlo de leurs propriétés thermodynamiques.<br />— Optimisation des propriétés magnétocaloriques des matériaux étudiés. Une voie proposée consiste à inclure des dopants non magnétiques dans les matériaux, par exemple, les ions magnétiques de terres rares peuvent être facilement remplacés par des Y non magnétiques. La dilution chimique peut améliorer la conduction thermique et modifier les interactions magnétiques microscopiques.<br />— Incorporer ces matériaux dans les prototypes de réfrigérateurs ADR. Pour y parvenir, des céramiques de gros volume doivent être synthétisées et caractérisées avec les mêmes protocoles que les monocristaux. Les céramiques sont plus faciles à manipuler et conviennent mieux aux applications. Avec la maitrise de l’élaboration de ces céramiques nous avons pu concevoir et tester des modules ADR expérimentaux.

Nous avons réussi à préparer divers échantillons de grenat Yb3Ga5O12. Des monocristaux transparents de haute qualité ont été utilisés pour la caractérisation de base, notamment les mesures de chaleur spécifique, de magnétisation et de conductivité thermique ainsi que les expériences neutroniques. De plus, des efforts importants ont été consacrés au développement et à l'optimisation des conditions de frittage des échantillons de céramique destinés à être utilisés directement dans les refroidisseurs ADR. Les céramiques de haute densité (>95%) ont été obtenues avec le matériau de départ Yb2O3 fourni par le fournisseur « Rhône Poulenc ». Il a été utilisé pour cultiver un module ADR de 600 g. Pour obtenir une bonne conductivité thermique dans le refroidisseur ADR, nous avons effectué une étude détaillée des conditions de brasage des céramiques YbGG avec des alliages Ag/Cu/Ti en utilisant des techniques de brasage 2D et 3D. Les propriétés optimales ont été obtenues grâce au brasage 3D avec un alliage Cu/Ti. Deux brevets (France et USA) consacrés au brasage des céramiques YbGG ont été déposés [8].
Nous avons élaboré le dispositif expérimental pour la culture d'échantillons polycristallins et céramiques de GdLiF4. La croissance des monocristaux est entravée par des traces d'humidité dans le matériau de départ GdF3 de notre fournisseur.
Les propriétés magnétocaloriques ont été obtenues en effectuant des mesures détaillées de magnétisation M(H,T) pour différents champs et températures. L'effet magnétocalorique a été calculé à partir des relations de Maxwell.
Pour plusieurs missions d'astrophysique en cours de sélection ou de conception (SPICA, LiteBIRD, Athena), des détecteurs haute sensibilité avec des températures de travail de 50 à 100 mK sont nécessaires. Pour relever ce défi technique, un ADR en 3 étapes avec YbGG comme matériau réfrigérant a été conçu. Pour la température d'interface de 3,5 K, un fonctionnement de 24 heures a été démontré avec une puissance de refroidissement de 25 µW à 1,2 K, 2 µW à 0,4 K et 0,5 µW à 50 mK. Des mesures similaires avec une température d'interface de 4,0 K donnent 10 µW à 1,3 K. , 2 µW à 400 mK et 0,5 µW à 50 mK. Un grand soin a été apporté aux mesures de stabilité en température avec notamment le développement d'une nouvelle carte ULTM50 produite au SBT, CEA-Grenoble.

Notre choix du grenat Yb3Ga5O12 comme matériau principal pour l'application magnétocalorique s'est avéré être un grand succès. Nous avons démontré qu'il présente de meilleures performances magnétocaloriques par rapport aux matériaux réfrigérants standard pour des températures comprises entre 350 mK et 2.5 K, gamme cruciale pour les applications actuelles. Des modules céramiques de Yb3Ga5O12 brasés sur des bus thermiques en Cu à l’aide d’alliages Cu/Ti ont été étudiés et réalisés pour améliorer la conduction thermique. Nous avons également détaillé les propriétés magnétocaloriques de GdLiF4 et démontré que ses performances s'étendent à des températures nettement inférieures par rapport aux travaux publiés précédemment. De plus, nous avons obtenu un diagramme de phase magnétique spectaculaire de ce matériau incluant sa température d'ordre en champ nul Tc = 210 mK et les remarquables plateaux d'aimantation au 1/3 pour les champs H//c. Dans le cadre de ce projet, de nouvelles collaborations ont été établies avec des groupes du Prof. S. Dutton, Université de Cambridge.
Dans le cadre de cette collaboration, une étude combinée expérimentale et théorique d'un nouveau matériau magnétocalorique prometteur Ba2GdSbO6 a été réalisée. Notre contribution a été des simulations théoriques de Monte Carlo. Actuellement, nous évaluons la possibilité de faire croître des cristaux polycristallins et monocristaux de ce nouveau matériau magnétocalorique dans le laboratoire de chimie du Partenaire 1.
Depuis le début du projet 9 articles scientifiques ont été publiés et 2 brevets ont été déposés. Deux autres publications sont en préparation et seront soumises d'ici la fin de 2023.

L'ensemble de nos résultats a démontré un très fort effet magnétocalorique et, par conséquent, une extrême utilité des matériaux magnétiques frustrés et dipolaires pour les applications ADR. Le grenat Yb3Ga5O12 a déjà été utilisé dans le prototype de machine ADR. Le matériau LiGdF4, lorsqu'il sera produit en quantité suffisante, sera également utilisé.
Des progrès spectaculaires dans les technologies de commutation thermique ont conduit à une utilisation généralisée d'une conception à plusieurs étages de refroidisseurs ADR. En conséquence, une sélection minutieuse du matériau réfrigérant magnétocalorique est requise. Ce problème peut être résolu par des recherches plus approfondies sur les aimants frustrés.

Revues scientifiques:
1.D. A. Paixao Brasiliano, J.-M. Duval, C. Marin, E. Bichaud, J.-P. Brison, M. Zhitomirsky, N. Luchier, “YbGG material for Adiabatic Demagnetization in the 100 mK–3 K range,” Cryogenics 105, 103002 (2020).
2. E. Lhotel, L. Mangin-Thro, E. Ressouche, P. Steffens, E. Bichaud, G. Knebel, J.-P. Brison, C. Marin, S. Raymond, M. E. Zhitomirsky, “Spin dynamics of the quantum dipolar magnet Yb3Ga5O12 in an external field,” Phys. Rev. B 104, 024407 (2021).
3. J.-M. Duval, A. Attard, D.A.P. Brasiliano, IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering 755, 012122 (2020).
4. R. Schick, T. Ziman, M. E. Zhitomirsky, “Quantum versus thermal fluctuations in the fcc antiferromagnet: Alternative routes to order by disorder,” Phys. Rev. B 102, 220405 (2020).
5. P. Park, K. Park, J. Oh, K. H. Lee, J. C. Leiner, H. Sim, T. Kim, J. Jeong, K. C. Rule, K. Kamazawa, K. Iida, T. G. Perring, H. Woo, S.-W. Cheong, M. E. Zhitomirsky, A. L. Chernyshev, J.-G. Park, “Spin texture induced by non-magnetic doping and spin dynamics in 2D triangular lattice antiferromagnet h-Y(Mn,Al)O3, Nature Communications 12, 2306 (2021).
6. L. Bhaskaran, A. N. Ponomaryov, J. Wosnitza, N. Khan, A. A. Tsirlin, M. E. Zhitomirsky, and S. A. Zvyagin, “Antiferromagnetic resonance in the cubic iridium hexahalides (NH4)2IrCl6 and K2IrCl6,” Phys. Rev. B 104, 184404 (2021).
7. R. Schick, O. Gotze, T. Ziman, R. Zinke, J. Richter, and M. E. Zhitomirsky, “Ground state selection by magnon interactions in an fcc antiferromagnet,” Phys. Rev. B 106, 094431 (2022).
8. E. C. Koskelo, P. Mukherjee, C. Liu, A. C. S. Hamilton, H. S. Ong, M. E. Zhitomirsky, C. Castelnovo, S. E. Dutton, “Comparative study of magnetocaloric properties for Gd3+ compounds with different frustrated lattice geometries,” PRX Energy 2, 033005 (2023).
9. J.-M. Duval, A. Attard, D. A. P. Brasiliano, “Experimental results of ADR cooling tuned for operation at 50 mK or higher temperature,” IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering 755, 012122 (2020).

Brevets:
1. J.-M. Duval, C. Marin et al., Cooling device comprising paramagnetic garnet ceramic, US Patent US2020/0200444Al, June 25, 2020.
2. J.-M. Duval, C. Marin et al., Dispositif De Refroidissement Comprenant Une Ceramique De Grenat Paramagnetique, Institut National De La Propriété Industrielle, No. FR 3 090 830, N° d'enregistrement national 18 73565, date 26.06.2020

Le but ambitieux du projet "Matadire" est de revisiter et de repousser les limites des technologies actuelles de réfrigération par désaimantation adiabatique, par la recherche et l'étude de nouveaux matériaux magnéto-caloriques plus performants. Ce travail sur la réfrigération magnétique à des températures inférieures à 4 kelvins est important car cette technique qui ne requiert pas d'isotopes rares de l'hélium est simple, économique et cruciale pour les technologies quantiques émergentes et les applications spatiales.
Guidés par des idées physiques simples fondées sur des développements récents du magnétisme, nous suggérons l'étude de trois familles de matériaux magnéto-caloriques: des grenats et pyrochlores d'ytterbium, des intermétalliques d'ytterbium et des composés magnétiques dipolaires. Certains composés sont quelque peu connus de la recherche appliquée, mais les autres comme les grenats ou pyrochlores sont entièrement nouveaux. Nos résultas préliminaires démontrent un avantage immédiat du grenat d'ytterbium par rapport aux matériaux réfrigérants actuels.
Nous préparerons des monocristaux, des polycristaux et des céramiques de ces matériaux et les étudierons à l'aide de techniques expérimentales de pointe, développées pour les études de physique de la matière condensée, mais généralement absentes des laboratoires de recherche appliquée. La sélection des matériaux, leur préparation et l'investigation expérimentale de leurs propriétés magnéto-caloriques seront accompagnées et orientées par un important travail théorique fondé sur des simulations Monte Carlo des composés magnétiques idéaux ou partiellement désordonnés. Les composés résultant de cette sélection seront incorporés dans un prototype de réfrigérateur magnétique permettant de comparer en fonctionnement les performances des nouveaux matériaux à celles des matériaux d'aujourd'hui.
Avec l'étude dans le même projet de trois familles de matériaux avec des propriétés aussi différentes que le ferromagnétisme ou l'antiferromagnétisme, le caractère isolant ou métallique, notre appoche est essentiellement sans risque - nous sommes convaincus d'identifier de nouveaux matériaux qui surpasseront ceux actuellement utilisés, au moins dans certaines gammes de température.
Pour atteindre ce but difficile, nous avons rassemblé trois équipes ayant les compétences complémentaires nécessaires au succès du projet: compétences en 1) synthèse d'échantillons, 2) intrumentation pour des mesures à basse et très basse température, 3) théorie de l'effet magnéto-calorique et modélisation des systèmes magnétiques et 4) réalisation de réfrigérateurs à désaimantation adiabatique pour l'espace et les applications au sol. Cette association d'équipes de pointe allant de la recherche de base à la recherche appliquée est unique et garantit les meilleures chances d'avancée technologique déterminante.

Coordination du projet

Mike ZHITOMIRSKY (Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PHELIQS Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques
INEEL Institut Néel - CNRS
SBT SERVICE DES BASES TEMPERATURES

Aide de l'ANR 361 219 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2018 - 48 Mois

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