Un alliage révolutionnaire pour un refroidissement sans réfrigérants traditionnels

Les avancées dans le domaine du refroidissement solide ouvrent de nouvelles perspectives pour la réfrigération du futur. Une équipe de chercheurs américains a réalisé une percée dans la compréhension du mouvement thermique à l’échelle atomique, ouvrant la voie à des applications révolutionnaires.

Le refroidissement à l’état solide représente une innovation écologique prometteuse pour la réfrigération de nombreux objets du quotidien, allant des aliments aux véhicules en passant par les appareils électroniques. Cette technologie se distingue par l’absence de liquides réfrigérants traditionnels et de pièces mobiles.

Les systèmes de refroidissement à l’état solide offrent plusieurs avantages notables :

• Un fonctionnement silencieux
• Une conception compacte et légère
• Un contrôle précis de la température

Bien que des progrès aient déjà été réalisés dans le développement de matériaux améliorés et la conception de dispositifs plus performants, une compréhension approfondie des améliorations matérielles reste essentielle pour l’avancement de cette technologie.

Une étude approfondie des matériaux

L’équipe de recherche a utilisé un ensemble d’instruments de diffusion neutronique pour examiner à l’échelle atomique un matériau considéré comme un candidat optimal pour le refroidissement à l’état solide. Il s’agit d’un alliage à mémoire de forme magnétique composé de nickel, cobalt, manganèse et indium.

Les propriétés remarquables de cet alliage sont mises en évidence :

– La capacité à être déformé puis à retrouver sa forme d’origine
– Une transition de phase magnétique et structurelle sous l’effet d’un champ magnétique
– L’absorption et la libération de chaleur, un phénomène connu sous le nom d’effet magnétocalorique

La proximité de l’alliage avec des conditions désordonnées, appelées états vitreux ferroïques, présente un intérêt particulier pour améliorer sa capacité à stocker et libérer de la chaleur.

Des découvertes cruciales à l’échelle atomique

Les chercheurs ont mis en lumière un phénomène fascinant : les magnons (ondes de spin) et les phonons (vibrations) s’associent dans une danse synchronisée au sein de petites régions distribuées dans l’arrangement désordonné des atomes qui composent le matériau.

Ces modes hybrides magnon-phonon localisés ont des implications importantes pour les propriétés thermiques du matériau :

• Les phonons sont significativement modifiés par la présence d’un champ magnétique
• La stabilité de phase du matériau est altérée
• Les propriétés et le comportement du matériau peuvent être ajustés et adaptés

Michael Manley, responsable de l’étude à l’ORNL, précise : «La diffusion neutronique montre que la capacité de refroidissement de l’alliage à mémoire de forme magnétique est triplée par la chaleur contenue dans ces modes hybrides magnon-phonon locaux qui se forment en raison du désordre dans le système. Cette découverte révèle une voie pour créer de meilleurs matériaux pour les applications de refroidissement à l’état solide répondant aux besoins sociétaux.»

Vers une nouvelle ère du refroidissement

L’alliage à mémoire de forme magnétique étudié se trouve dans une phase proche de conditions désordonnées connues sous le nom de verre de spin et de verre de contrainte. Ces phases de la matière non conventionnelles se caractérisent par un manque d’ordre :

– Dans la phase de verre de spin, les moments magnétiques associés aux atomes sont orientés de manière aléatoire
– Dans la phase de verre de contrainte, le réseau d’atomes est soumis à des contraintes à l’échelle nanométrique de manière désordonnée et irrégulière

Manley souligne l’importance de ces états frustrés : «À mesure que le matériau s’approche de cet état frustré, la quantité de chaleur stockée augmente. Les interactions à longue et 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. Cela est important car ces états vibrationnels localisés supplémentaires stockent de la chaleur. Le changement du champ magnétique déclenche une autre transition de phase au cours de laquelle cette chaleur est libérée.»

Le contrôle des fonctions de l’alliage à mémoire de forme magnétique, permettant son utilisation comme une éponge thermique, pourrait ouvrir la voie à un refroidissement à l’état solide efficace, sans nécessiter de réfrigérants traditionnels ou de composants mécaniques.

Légende illustration : Un couplage fort entre les vibrations atomiques localisées et les fluctuations de spin augmente l’absorption et la libération de chaleur, 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, U.S. Dept. of Energy