La société mondiale d'aujourd'hui, avide d'énergie, se bat pour atténuer les effets du changement climatique d'origine humaine, et dans quelles conditions d'adaptation volontaire/coercitive. Les technologies actuelles sans combustibles fossiles semblent inadéquates/insuffisantes pour relever ce défi de taille. Relever ce défi d'un point de vue technologique nécessitera donc probablement la maturation de nouveaux concepts physiques audacieux qui peuvent être accélérés technologiquement.

Une équipe scientifique internationale du CNRS, l'Université de Strasbourg et l'Université de Lorraine en France, avec l'Université d'Uppsala en Suède, a fortuitement découvert un tel concept à l'intersection mal comprise/documentée entre deux domaines de recherche autrement disjoints. La spintronique comprend la nouvelle génération, électronique de faible puissance qui utilise la propriété de spin quantique de l'électron. Il s'agit donc principalement des technologies de stockage/communication de l'information. La physique/thermodynamique quantique vise à réexaminer les règles de la thermodynamique lorsque la matière est confinée à l'échelle nanométrique pour présenter des propriétés quantiques, et ainsi comprendre le fonctionnement des moteurs quantiques.

Les expériences et analyses de l'équipe montrent qu'il est possible d'assembler un générateur électrique qui utilise le spin des électrons pour récolter les fluctuations thermiques à température ambiante. En se référant au schéma du moteur, la récolte de la température ambiante se produit sur les centres paramagnétiques (PM) —- aimants au niveau atomique dont l'orientation fluctue en raison de la chaleur. Les électrodes du moteur, appelés sélecteurs spintroniques, autoriser des électrons d'un seul spin (↑ en rouge, ou ↓ en bleu) pour effectuer. Parce que la chaleur mélange le spin de l'électron sur le centre PM (milieu) avec des niveaux d'énergie de spin séparés énergétiquement, le transport (lignes jaunes) entre le centre PM et les électrodes se produit à différents niveaux d'énergie pour chaque électrode. Cela provoque l'apparition d'une tension de polarisation spontanée V entre les électrodes, et donc un courant spontané à circuler une fois le circuit électrique fermé.

L'équipe a utilisé des théories analytiques et ab-initio pour établir un lien entre ce concept de moteur de spin et des expériences à température ambiante sur un dispositif spintronique à l'état solide appelé jonction tunnel magnétique (MTJ). Ici, l'interface entre le métal ferromagnétique Co et les atomes de carbone a été utilisée comme sélecteur spintronique, et des atomes de carbone remplaçant les atomes d'oxygène dans la barrière tunnel MgO en tant que centres PM.

D'après les expériences, si de tels dispositifs pouvaient être produits en masse avec des rendements élevés, puis à l'heure actuelle les densités de MgO MTJ au sein des mémoires de nouvelle génération, ce concept pourrait produire des puces qui produisent en continu de l'énergie électrique avec une densité de puissance surfacique 3 fois supérieure à l'irradiation solaire brute sur Terre. L'enjeu est maintenant de confirmer certains aspects fondamentaux du fonctionnement de ce moteur, pour obtenir la reproductibilité du dispositif en contrôlant au niveau atomique la position et les propriétés des centres PM dans un dispositif à semi-conducteurs approprié, mettre en œuvre l'intégration back-end CMOS (par exemple grâce aux progrès existants avec les technologies MgO MTJ), pour gérer les problèmes d'ingénierie tels que les flux de chaleur et les pertes d'interconnexion, et de réduire considérablement le coût surfacique de la puce résultante.

Pour éviter une catastrophe climatique dans le délai de 11 ans déterminé par le GIEC en utilisant une solution technologique telle que celle-ci, il faudra un une entreprise ciblée proche de celle déployée dans le projet Manhattan, associer des scientifiques, les décideurs politiques et les partenaires industriels travaillent déjà sur les technologies spintroniques basées sur MTJ. Le site en construction permettra de communiquer sur cette entreprise. Comme mesure d'espoir, seulement sept à neuf ans se sont écoulés entre la découverte de la spintronique en 1986-1988 et les premiers produits commerciaux qui en ont découlé. Si la solution à la crise climatique passe par les nouvelles technologies, des concepts physiques radicalement nouveaux qui peuvent être technologiquement accélérés devraient, à partir de maintenant, être considérés avec l'urgence et la priorisation que laissent présager les enjeux d'une catastrophe climatique.