Des aimants produits grâce à la chaleur

Une variation de température le long d’un conducteur est capable de générer un champ magnétique. C’est ce qu’on appelle l’effet Seebeck, la base de la thermoélectricité (de la chaleur transformée en électricité). Il est utilisé pour alimenter des sondes spatiales et des générateurs thermoélectriques, et pourrait être implémenté pour capter la chaleur auprès des centrales électriques, des montres-bracelets ou des appareils microélectroniques.

On sait également qu’il est théoriquement possible de créer un champ magnétique au moyen d’une différence thermique le long d’un isolant – on parle alors de « thermomagnétisme ». Aussi connu sous le nom d’effet Seebeck magnétique, ce phénomène pourrait être très utile à l’électronique du futur, aux dispositifs à semi-conducteurs et aux transistors magnétiques à effet tunnel. Or, un article mise en exergue dans les Physical Review Letters annonce que des chercheurs de l’EPFL ont pu, pour la première fois, prédire et vérifier en laboratoire l’existence de l’effet Seebeck magnétique.

Thermoélectricité et « thermomagnétisme »

L’effet Seebeck (thermoélectricité) – du nom de Thomas Johann Seebeck, qui l’observa le premier en 1821 – se produit lorsque des électrons d’un conducteur électrique se déplacent en réponse à un gradient thermique. Les électrons de la partie chaude du conducteur ont en moyenne davantage d’énergie cinétique que leurs homologues de la partie froide, et se meuvent donc plus rapidement. Résultat, ils se diffusent vers la température la plus basse, et génèrent ce faisant un courant électrique directement proportionnel à la différence de température le long du conducteur.

Or, les chercheurs de l’EPFL dirigés par Jean-Philippe Ansermet ont pu démontrer que l’effet Seebeck magnétique existait également lorsqu’un isolant remplaçait le conducteur. Par définition, les électrons ne peuvent y circuler, rendant leur diffusion sous l’effet d’un gradient thermique impossible. Mais une autre propriété des électrons, qui constitue le fondement du magnétisme et répond au nom de « spin », est alors affectée.

Un gradient thermique altère en effet le sens du spin des électrons présents dans l’isolant, et génère dans certaines conditions un champ magnétique perpendiculaire à sa propre orientation. Comme c’est le cas avec la thermoélectricité mentionnée ci-dessus, l’intensité du champ thermomagnétique ainsi créé est directement proportionnelle au gradient thermique observé le long de l’isolant.

Premières preuves de l’effet Seebeck magnétique

Le coauteur de cette étude Antonio Vetrò a analysé la diffusion des ondes de magnétisation sur un isolant nommé YIG (grenat d’yttrium-fer). Il a ainsi découvert que la direction de propagation de ces ondes le long de l’isolant influençait directement le degré de perte de magnétisme (aussi appelé « amortissement magnétique »). Lorsque le sens des vagues correspond à l’orientation du gradient thermique, l’amortissement magnétique est réduit. Dans le cas contraire, il augmente.

L’effet Seebeck magnétique combine ainsi trois domaines distincts de la physique: la thermodynamique, la mécanique des milieux continus et l’électromagnétisme. Jusqu’ici, personne n’était jamais parvenu à créer des liens cohérents entre eux. Pour y parvenir, l’auteur principal de cette étude, Sylvain Bréchet, est parti du travail d’Ernst Stückelberg (1905-1984), physicien suisse reconnu ayant développé des formules de thermodynamique pour son enseignement. Parmi les centaines d’équations produites par Bréchet, l’une d’elles prédit qu’un gradient thermique devrait générer un champ magnétique.

Bien qu’elle soit encore récente, cette découverte laisse déjà entrevoir de nouvelles approches dans l’étude de l’amortissement magnétique. L’impact pourrait être énorme sur les futurs appareils basés sur la spintronique (prix Nobel 2007), ce champ technologique novateur proposant une alternative à l’électronique traditionnelle. Dans de tels appareils, la transmission du signal repose en effet sur le spin des électrons et non sur leur charge et leur mouvement. Ce domaine tente notamment de collecter la chaleur résiduelle provenant de microprocesseurs semblables à ceux de nos ordinateurs privés.

Reference

Brechet SD, Vetro FA, Papa E, Barnes SE, Ansermet JP. 2013 Evidence for a Magnetic Seebeck Effect. Phys. Rev. Lett. 111, 087205 (2013)