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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 est cruciale pour les technologies de l'information quantique émergentes et diverses autres applications scientifiques et technologiques allant des télescopes spatiaux 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

L'objectif du projet Matadire est d'effectuer une étude expérimentale et théorique détaillée de plusieurs matériaux réfrigérants prometteurs pour les applications ADR à des températures inférieures 1 Kelvin. Nous identifions trois groupes de matériaux aux propriétés magnétocaloriques prometteuses : (i) les aimants frustrés, (ii) les aimants dipolaires et (iii) les intermétalliques Yb. <br /> <br />(i) Aimants frustrés: selon la prédiction théorique faite précédemment par l'un des partenaires, les matériaux magnétiques frustrés peuvent présenter des propriétés magnétocaloriques améliorées <br />par rapport aux réfrigérants standards - sels paramagnétiques. Nous choisissons plusieurs matériaux potentiels de ce groupe. Le premier matériau est l'Yb-grenat Yb3Ga5O12. Bien que les ions Yb aient un petit moment efficace et, par conséquent, une entropie magnétique réduite, leur haute densité dans la structure du grenat en fait une batterie à entropie à haute capacité qui surpasse les sels paramagnétiques standard. Un autre matériau magnétique frustré intéressant pour les applications magnétocaloriques est le composé pyrochlore Yb2Ti2O7. Il commande à Tc = 0,27 K. Néanmoins, ce matériau pyrochlore peut présenter un effet MCE amélioré dans la plage de température 0,2-0,5 K en raison de l'ordre ferromagnétique. Nous prévoyons d'étudier cet effet de manière théorique et expérimentale, bien que la croissance de l'échantillon soit plus difficile dans ce cas. <br /> <br />(ii) Aimants dipolaires: sauf la géométrie du réseau, la frustration magnétique peut être induite par des interactions dipolaires. Un matériau représentatif de ce groupe est le GdLiF4. Ce matériau a déjà été identifié comme un réfrigérant prometteur, mais on manque d'informations sur ses principales propriétés physiques. L'un des objectifs du présent projet est de combler cette lacune en réalisant une étude expérimentale et théorique approfondie combinée sur ce composé et sur des composés apparentés, tels que le GdF3, afin de guider d'autres applications ADR. <br /> <br />(iii) les intermétalliques Yb: des interactions magnétiques fortement réduites entre ions magnétiques sont également retrouvées chez plusieurs membres de la famille des composés demi-Heusler : YbPt2Sn et YbPd2In. Parmi eux, YbPd2In présente un réseau cubique frustré à faces centrées d'atomes d'ytterbium. Leur principale différence (peut-être des avantages, peut-être pas) par rapport aux systèmes discutés précédemment est que les deux composés demi-Heusler sont métalliques et ne souffriront donc pas d'une conduction thermique lente aux températures de fonctionnement les plus basses.

Nous prévoyons de caractériser et d'analyser complètement les propriétés magnétocaloriques des matériaux sélectionnés. Cela comprend la croissance de monocristaux de bonne qualité de matériaux de grenat et de pyrochlore, ainsi que de GdLiF4, YbPt2Sn et YbPd2Sn. Nous mesurerons la capacité calorifique et l'aimantation des échantillons obtenus pour évaluer leurs propriétés magnétocaloriques dans la gamme 0,2-4 K et des champs jusqu'à 8 T. La conductivité thermique, qui est une propriété clé pour les applications ADR, sera également mesurée ci-dessous 1 K où elle peut être une propriété limitante.
En parallèle, des simulations Monte Carlo classiques des propriétés thermodynamiques seront effectuées pour déterminer les paramètres microscopiques. Elle permettra de mieux comprendre l'origine de leurs propriétés magnétocaloriques, et ainsi d'anticiper le potentiel d'autres matériaux des mêmes familles.

Nous prévoyons d'optimiser les propriétés magnétocaloriques des matériaux étudiés. Une voie proposée consiste à inclure des dopants non magnétiques dans les matériaux pour améliorer la conduction thermique et modifier les interactions magnétiques microscopiques. Pour atteindre cet objectif, nous étudierons par des simulations de Monte Carlo l'effet de la dilution non magnétique sur les propriétés magnétocaloriques des aimants frustrés et dipolaires. Cela permettra de prédire la dilution optimale de matériaux spécifiques, qui seront ensuite synthétisés et caractérisés.

L'objectif final est d'incorporer ces matériaux dans des prototypes de réfrigérateurs ADR. À cette fin, des échantillons de céramique seront cultivés et caractérisés avec les mêmes protocoles que les monocristaux. Les céramiques sont plus faciles à manipuler et mieux adaptées aux applications. Avec ces échantillons de céramique en main, nous devrions être en mesure de construire la machine ADR de preuve de concept avec le meilleur matériau magnétocalorique que nous ayons obtenu.

À la fin de ce projet, nous prévoyons de suggérer le ou les matériaux réfrigérants optimaux pour les applications ADR dans la plage de température de 0,2 à 4 K. L'optimisation de la puissance de refroidissement permettra, en premier lieu, de réduire le volume de une étape de réfrigération ADR, cruciale pour les applications spatiales et bénéfique pour le programme satellitaire français en cours et les collaborations internationales. Parallèlement, le Partenaire 3 (SBT/IRIG/CEA) participe avec le groupe de l'Institut Neel à la construction et au test des étages ADR pour usage en laboratoire.

S'il réussit, le projet permettra de construire des systèmes de réfrigération capables de concurrencer et éventuellement de surpasser les cryostats à hélium liquide existants. La cryogénie de laboratoire constitue un marché de plusieurs millions avec un grand potentiel de croissance en raison des efforts généralisés en informatique quantique et autres nanotechnologies quantiques. La recherche proposée permettra aux entreprises françaises d'être compétitives dans ce métier.

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).

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.

Coordinateur du projet

Monsieur 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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