Grappillage énergétique spintronique des fluctuations thermiques ambiantes – SpinElec

Afin de garantir notre sécurité énergétique dans un monde marqué par le dérèglement climatique, les énergies renouvelables doivent se substituer aux énergies fossiles. Cependant, toutes les stratégies de grapillage d’énergie effectuent des compromis. Les sources naturelles atteignent des densités de puissance Pd=100mW/cm2 (solaire) mais n’opèrent pas 24/7. Lorsque présentes, les sources artificielles (ex :RF) sont autonomes mais limitées par un Pd 10^2-10^8 fois plus faible. Aux frontières de la recherche en énergie, la thermodynamique quantique (QTD) mésoscopique fournit des solutions ‘on-chip’ (cad appliquées) pour récolter l’énergie de gradients thermique avec des temps de moteur électronique rapides (~10GHz), mais opèrent à très basse température et sous la limite de Carnot. La QTD atomique impliquant des ressources quantiques hors-équilibre peut dépasser cette limite à l’ambiante (RT), mais ses temps sont plus lents (~10MHz) et requièrent des appareils auxiliaires, cad restent des preuves de concept.

Nous proposons dans ce projet resoumis d’étudier une implémentation spintronique de la QTD qui, sous la forme d’un dispositif tout-solide, peut récolter 24/7 les fluctuations thermiques dues à la température ambiante afin de générer de l’électricité. Notre concept de ‘moteur spintronique’ combine le meilleur des QTD meso et atomique grâce aux avantages innés de la spintronique. Le concept associe des électrodes entièrement polarisées en spin et des centres paramagnétiques (PM) servant de fluctuateur thermique. Le dispositif combine plusieurs ressources quantiques (‘squeezed baths’, injection de cohérence quantique, transition de phase) en un moteur dont les temps spintroniques de chaleur/travail ultrarapides (~100GHz) sont corrélés quantiquement (nouveau/un atout).

D’après les expériences des partenaires IPCMS-IJL-IC du projet, ceci permettrait au dispositif de fournir de la puissance électrique sans gradient de température nominal. Leur 1ere implémentation, via la jonction tunnel magnétique MgO (MTJ), un dispositif commercialisé, montra un Pd potentiel 3x supérieur à l’irradiation solaire sur Terre. Une difficulté, que les partenaires ont déjà abordée (ANR Spinapse), est de contrôler les lacunes d’oxygène de la barrière qui accueillent les centres PM. Pour éviter cet écueil, les partenaires IPCMS-IJL-IC ont aussi étudié une implémentation moléculaire (CoPc) qui fournit plus de dispositifs fonctionnels, 270x plus de puissance à RT et la signature thermodynamique de la transition de phase de CoPc, cad une autre ressource quantique.

Nous examinerons les fondements de ce moteur spintronique grâce à la voie ‘CoPc’ : transferts thermiques ; temps de chaleur/travail ; transition de phase de la chaine de spin moléculaire. Pour ce faire, nous confirmerons le contrôle à la monocouche des couches moléculaires du dispositif, et y intègrerons des thermomètres. Le partenaire théorique LPMMC développera un modèle QTD hors-équilibre du moteur spintronique qui décrit les propriétés de transition de phase.

Pour récolter de manière reproductible grâce à la voie ‘MgO MTJ’, nous en maitriserons l’insertion de centres PM grâce à des études de sonde locale et de résonance paramagnétique électronique (RPE). Nous utiliserons les voies ‘CoPc’ et ‘MgO’ pour développer un démonstrateur pour IMEC (conseil industriel stratégique de l’IPCMS), afin d’accélérer la R&D académique/industrielle.

Le succès du projet 1) exposerait la communauté QTD à une nouvelle voie spintronique compétitive ; 2) décuplerait l’utilité ‘Energie’ de la MTJ, ce qui amplifierait sa pénétration industrielle, en canalisant des acteurs traditionnels des STIC (ex : Canon-Anelva) vers le secteur de l’énergie. Ces aspects font de SpinElec un projet très original et innovant en recherche ‘Energie’, et très disruptif pour les recherches en QTD et en spintronique. Le succès du projet fournirait un précieux atout technologique au combat pour limiter la catastrophe climatique.