04/06/2013 - Premières étapes pour créer des puces magnétiques pour le refroidissement à basse température

Menéame

Ils montrent pour la première fois qu’une molécule magnétique maintient "intacte" sa hauteur capacité à refroidir lorsqu’il est fixé à une surface. La revue scientifique « Advanced Materials » présente en couverture la recherche menée par l’ICMA, l’INA et le service de mesures physiques de la Université de Saragosse

Las des missions spatiales futures Ils remplacent le lancement de grands appareils de refroidissement à basse température par des micropuces ayant la même capacité ou plus, mais plus économiques et durables. Il en va de même pour les laboratoires de cryogénie ou de basse température. Ces micropuces peuvent être utilisées comme plates-formes réfrigérantes dans tous les types d’instruments nécessitant une exploitation à des températures proches de la température zéro absolu, tels que les détecteurs de rayons X et gamma en astronomie, les instruments de mesure physique en science des matériaux ou les instruments de sécurité.

Des chercheurs de différents instituts de recherche à Saragosse et à Barcelone ont réussi à faire les premiers pas pour réaliser ces micropuces " cryogéniques ." Pour la première fois, ils ont trouvé une molécule magnétique... acétate de gadolinium tétrahydrate-- capable de se fixer à d’autres matériaux, tels que le silicium, en maintenant ses propriétés magnétiques et de refroidissement à basse température. Ce passage de rester fixé à un autre matériau sans perdre ses caractéristiques est essentiel pour développer de nouveaux dispositifs. Actuellement, les appareils de réfrigération sont volumineux et coûteux et, à l’avenir, ils seront remplacés par des appareils de la taille d’un ongle, avec une application immédiate, dans toute expérience à basse température, comme les missions spatiales.

Ces avantages sont ceux qui expliquent Marco Evangelisti, chercheur du Institut de science des matériaux d’Aragon (ICMA), institut universitaire mixte de l’UZ et du CSIC, où il travaille depuis quatre ans et qui a coordonné cette étude avec la participation de scientifiques du Institut de nanoscience d’Aragon (INA) Service des mesures physiques (SMF)de l’Université de Saragosse. Dans ce défi, le matériel choisi a été le acétate de gadolinium tétrahydrate, un matériau moléculaire à structure simple. Lors d’une étude précédente, ces mêmes chercheurs ont montré que ce matériau avait un effet magnétocalorique (MCE, de l’anglais "magnetocaloric effect") encore plus important que celui des alliages et nanoparticules magnétiques utilisés jusqu'à présent comme réfrigérants à très basse température.

Dans le présent travail, en collaboration avec des chercheurs Centre de recherche sur les nanosciences et les nanotechnologies (CIN2) à Barcelone, cette équipe a réussi à déposer ces molécules sur silicium (le matériau idéal pour la fabrication des micropuces) et à mesurer leur magnétisme à la surface à température de l’hélium liquide (4.2 Kelvin). Le résultat ne laisse aucun doute: le processus de dépôt ne modifie en rien l’excellent pouvoir de refroidissement des molécules. Ce travail vient d’être publié dans la revue scientifique Advanced Materials, où il a également été souligné dans la couverture principale.

Cette enquête a également été rendue possible par le microscope de force magnétique (MFM), capable d’opérer à très basse température, que l’ICMA a acquis récemment. L’utilisation de cet instrument sophistiqué est gérée par le SMF du Service général d’appui à la recherche (SAI) de l’Université de Saragosse. En fait, les chercheurs ont constaté que ces molécules étaient fixées au silicium. "On crée des réservoirs très fins, de peu de nanomètres, dont on a mesuré le signal magnétique à basse température, grâce au microscope de force magnétique qui peut mesurer jusqu'à 2 Kelvin, deux degrés au-dessus du zéro absolu," note Evangelisti. 

Le développement de nouvelles technologies basées sur des dispositifs de taille micrométrique (micropuces), capables de remplacer les équipements, complexes et de grande taille, actuellement utilisés, est l’un des domaines importants de la physique de très basses températures.

Dans cette course, différentes technologies sont en concurrence, parmi lesquelles il convient de souligner la réfrigération magnétique basée sur l’utilisation de matériaux magnétiques moléculaires. Tous les matériaux magnétiques présentent un phénomène, connu sous le nom d’effet magnétocalorique, selon lequel la température varie en réponse à l’application d’un champ magnétique externe. Les molécules magnétiques constituent une nouvelle classe de matériaux qui a prouvé avoir des caractéristiques propres au niveau moléculaire, telles qu’un effet magnétocalorique extrêmement élevé dans la plage de températures proche du zéro absolu.

Une autre particularité du caractère moléculaire est sa polyvalence qui permet "anclar" les molécules à une surface, formant des dépôts minces ou monocouches. Il s’agit d’une étape obligatoire pour l’obtention de micropuces réfrigérantes, capables d’exploiter la fonctionnalité de ces matériaux. Toutefois, à ce jour, il n’y avait pas de preuve expérimentale que les molécules, une fois déposées, préservent leurs caractéristiques magnétiques et, partant, leur capacité à refroidir.

 Références.

"Surface-fined moléculaire coolers for cryogenics," G. Lorusso, M. Jenkins, P. González-Monje, A. Arauzo, J. Je l’ai entendu, D. Ruiz-Molina, O. Roubeau, M. Evangelisti, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201370135/abstract

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