Générateur thermoélectrique à pompage de spin

Proposition d’un Projet de Recherche en Laboratoire
Titre : Générateur thermoélectrique à pompage de spin.
Laboratoire d’accueil : LSI Ecole Polytechnique
Résumé : Ce projet s’inscrit dans une étude de faisabilité pour la réalisation d’un générateur de courant
thermoélectrique reposant sur les propriétés galvano-magnétiques et magneto-voltaiques des nanosctructures
magnétiques. Ce projet comporte un volet technologique (avec la possibilité de dépôts de brevets) et expérimental ainsi
qu’un volet fondamental et théorique.
Tout le monde reconnaît la nécessité de développer des nouveaux concepts de générateurs d ‘énergie électrique
renouvelables. La filière thermoélectrique fait partie des sources d’énergie les plus évidente en terme de recyclage,
sachant que plus de 90% de l’énergie consommée finit sous forme de chaleur. Cette filière est peu exploitée en raison
du faible rendement des dispositifs classiques reposant sur l’effet Seebeck. Cependant, d’après des travaux récents,
l’utilisation des matériaux ferromagnétiques permettrait d’exploiter un nouvel effet de conversion des courants de
chaleur, reposant sur les porteurs de spin, et non plus sur les seuls porteurs de charge électrique. Cette nouvelle
possibilité physique permettrait de lever un verrou sur les limitations des générateurs thermoélectriques. Nous avons pu
mesurer ce pompage thermique de spin au laboratoire, mais les principes physiques responsables de l’effet ne sont pas
bien connus.
Du point de vue théorique, ce type de systèmes peut être décrit par la thermodynamique hors équilibre. Cette théorie
traite des systèmes hors équilibres composés de nombreux degrés de liberté couplés (il faut en effet décrire les trois
types de porteurs qui sont les porteurs de chaleurs, les porteurs de charge électrique et les porteurs de spin). En
particulier, il nous faut résoudre un problème, qui est peu étudié de façon pratique, à propos de la non-validité du
théorème de Prigogine (prix Nobel 1977). En deux mots, le théorème stipule que la puissance produite par le système
est imposée par le minimum de la production d’entropie. Il nous faut en aller au-delà des conditions de validité de ce
théorème pour décrire les générateurs thermoélectriques à pompage de spin (et il est possible que la puissance soit
maintenant imposée par le maximum de la production d’entropie et non plus par le minimum). C’est parce que ce
théorème n’est plus applicable que le rendement du générateur à pompage de spin n’est plus bridé par les mêmes
contraintes que les générateurs thermoélectriques habituels.
Mots clés : Electronique de spin, générateur thermoélectrique, thermodynamique hors équilibre, degrès de liberté
interne, production d’entropie.
Nature : Expérimental et théorique.
Accueil d’un binôme possible : Oui
Personnes à contacter : Jean-Eric Wegrowe, [e-mail]