Supprimer l’hystérésis d’un matériau magnétocalorique en le bombardant avec des ions multichargés

Des physiciens ont supprimé l’hystérésis thermique d’un film mince d’arséniure de manganèse en l’irradiant avec des ions multichargés de néon. Débarrassé de cette source d’irréversibilité qui le rendait impropre à toute utilisation pratique, ce matériau magnétocalorique devient un candidat de choix pour la réalisation de réfrigérateurs magnétiques.

Dans la perspective de développer des réfrigérateurs plus efficaces et nécessitant bien moins de maintenance que les systèmes actuels, les physiciens s’intéressent de près aux matériaux présentant un fort effet magnétocalorique. Ces matériaux présentent des propriétés thermodynamiques leur permettant de proposer une alternative aux fluides utilisés dans tous les systèmes de réfrigération. De même qu’un gaz s’échauffe lorsqu’il est comprimé et se refroidit lorsqu’il se détend, un matériau magnétocalorique s’échauffe lorsqu’on l’aimante en le plaçant dans un champ magnétique intense et se refroidit en se désaimantant. Toutefois, dans les matériaux fortement magnétocaloriques actuellement connus, cette propriété est due à un changement de structure cristalline, elle présente donc une forte hystérésis, c’est-à-dire un retard à l’aimantation et à la désaimantation lorsque l’on change le champ magnétique. Or cette hystérésis est une source d’irréversibilité importante qui interdit toute utilisation pour la réfrigération. En bombardant des couches minces d’arséniure de manganèse (MnAs), avec des ions multichargés de faible énergie, des physiciens de l’Institut des nanosciences de Paris - INSP (CNRS / UPMC) ont implanté au cœur de ce matériau des défauts facilitant fortement les transitions de structure cristalline. Ils ont de la sorte éliminé l’hystérésis thermique de ce matériau tout en conservant ses fortes propriétés magnétocaloriques. Cette nouvelle méthode ouvre des perspectives particulièrement intéressantes dans la manipulation des propriétés magnétiques des couches minces et, plus spécifiquement, concernant l’application de l’effet magnétocalorique du MnAs comme technique alternative de réfrigération. Ce travail est publié dans la revue Applied Physics Letters.

Les physiciens ont choisi pour leur étude l’arséniure de manganèse, l’un des matériaux magnétocaloriques les plus prometteurs, notamment parce que la transition de phase responsable de cette propriété s’y produit légèrement au-dessus de la température ambiante. Ils ont fait croître une couche de MnAs cristallin de 150 micromètres d’épaisseur sur un substrat d’arséniure de gallium par épitaxie par jet moléculaire. Ils ont ensuite irradié ce film avec un faisceau d’ions Ne9+ produits par la Source d’Ions Multichargés de Paris (SIMPA) en choisissant l’énergie cinétique des ions et l’angle d’impact afin que la profondeur de pénétration du faisceau soit la moitié de l’épaisseur du film, pour maximiser les effets de l’irradiation. Dans l’arséniure de manganèse, la transition entre l’état magnétique et l’état non magnétique est associée à une transition de structure cristallographique. Cette transition, nécessite une réorganisation géométrique des atomes qui peine à se produire spontanément, même lorsque les conditions y sont favorables. En introduisant des défauts suffisamment marqués, l’irradiation par les ions multichargés facilite la transition entre les deux phases en jouant le rôle de germes. Alors que les méthodes utilisées jusqu’à présent, dopage ou application de contraintes mécaniques externes, ne permettaient de supprimer l’hystérésis que pour de très faibles champs magnétiques, la nouvelle méthode développée par les physiciens de l’INSP supprime l’hystérésis pour de champs intenses pouvant atteindre 1 Tesla et même au-delà. Cette modification s’effectue en n’affectant que très marginalement les autres propriétés magnétiques et structurales de la couche mince telles que la magnétisation de saturation, le champ coercitif, etc. En particulier, le pouvoir réfrigérant associé aux propriétés magnétocaloriques reste inchangé.

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Parallèle entre la formation des bulles dans une coupe de champagne, facilitée par les défauts de parois et le passage de l’état ferromagnétique à non-ferromagnétique, ou vice-versa, dans des échantillons de MnAs, et facilitée par les défauts induits par les ions. La figure de droite illustre la suppression de l’hystérésis thermique entre une cible irradiée (courbes pointillées) et une cible non-irradiée (courbes en traits pleins), obtenue en explorant la magnétisation en fonction de la température sous un champ de 1 Tesla.

Suppression of the thermal hysteresis in magnetocaloric MnAs thin film by highly charged ion bombardment
M. Trassinelli, M. Marangolo, M. Eddrief, V. H. Etgens, V. Gafton, S. Hidki, E. Lacaze, E. Lamour, C. Prigent, J.-P. Rozet, S. Steydli, Y. Zheng et D. Vernhet, Applied Physics Letters (2014)

  • Retrouvez la publication sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

Contact chercheur

Martino Trassinelli, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

Institut des nanosciences de Paris (INSP)

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr