Une nouvelle étude menée à l’Université de Vienne, au Max Planck Institute for Intelligent Systems à Stuttgart, et aux centres Helmholtz à Berlin et à Dresde représente un pas important dans le défi de miniaturiser les dispositifs informatiques tout en les rendant plus efficaces sur le plan énergétique. Les résultats de ce travail, publiés dans la revue Science Advances, ouvrent de nouvelles possibilités pour la création de circuits magnoniques reprogrammables en excitant des ondes de spin par des courants alternés et en redirigeant ces ondes à la demande.
Les unités centrales de traitement (CPU) que nous utilisons sur nos ordinateurs portables, ordinateurs de bureau ou même téléphones reposent sur des milliards de transistors basés sur la technologie CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Avec le besoin grandissant de miniaturiser ces dispositifs, plusieurs limitations physiques soulèvent des préoccupations quant à leur durabilité. De plus, la consommation élevée d’énergie et les pertes énergétiques poussent les scientifiques à rechercher des architectures informatiques alternatives.
Un des candidats prometteurs est constitué des magnons, les quanta des ondes de spin. “Imaginez un lac calme. Si nous laissons tomber une pierre dans l’eau, les ondes générées se propageront à partir du point de génération. Maintenant, remplacez le lac par un matériau magnétique et la pierre par une antenne. Les ondes qui se propagent sont appelées ondes de spin et peuvent être utilisées pour transférer énergie et information d’un point à un autre avec des pertes minimales,” explique Sabri Koraltan de l’Université de Vienne, premier auteur de l’étude récente.
Une fois générées, les ondes de spin peuvent être utilisées dans des dispositifs magnoniques pour effectuer des tâches de calcul classiques et non conventionnelles. “Pour réduire l’empreinte des dispositifs magnoniques, nous devons utiliser des ondes de spin à courtes longueurs d’onde, qui sont difficiles à générer avec des antennes nanoétanches à la pointe de la technologie en raison de leur faible efficacité,” ajoute Sebastian Wintz du Helmholtz-Zentrum Berlin et coordinateur du projet de recherche.
Les antennes nano ne peuvent être fabriquées que dans des salles blanches, des installations de nanofabrication hautement spécialisées, à l’aide de techniques de lithographie avancées.
Dans un avancement majeur, les chercheurs d’Autriche et d’Allemagne ont proposé une solution beaucoup plus simple : le courant électrique circule directement à travers un empilement magnétique avec des motifs magnétiques tourbillonnants. “Notre recherche montre qu’en utilisant une géométrie de courant alternatif latéral dans des paires de vortex ferrimagnétiques synthétiques, nous pouvons atteindre une émission d’ondes de spin avec une efficacité qui dépasse les méthodes conventionnelles de plusieurs ordres de grandeur,” déclare Koraltan.
Les systèmes ferrimagnétiques synthétiques présentent des motifs de magnétisation opposés. Si la couche supérieure a un vortex tournant dans le sens des aiguilles d’une montre, la couche inférieure a un sens de rotation inverse. Cela permet une excitation efficace du motif de magnétisation en utilisant les champs magnétiques générés par les courants alternés.
“À l’aide de notre microscope à rayons X haute résolution ‘Maxymus’, basé au synchrotron à électron BESSY II à Berlin, nous avons même pu observer les ondes de spin prédites à des longueurs d’onde nanométriques et à des fréquences Gigahertz,” ajoute Wintz. “De plus, en incorporant des matériaux spéciaux, qui peuvent changer leur magnétisation lorsqu’une contrainte est appliquée, nous avons démontré que la direction de ces ondes de spin peut être dirigée dynamiquement simplement en ajustant l’intensité du courant appliqué. Cela peut être considéré comme une étape importante vers des dispositifs magnoniques actifs,” déclare Koraltan.
“Notre nouvelle génération de logiciel de simulation micromagnétique, magnum.np, nous a permis d’effectuer des simulations à grande échelle, qui étaient cruciales pour comprendre les principaux mécanismes derrière cette excitation d’ondes de spin efficace et contrôlable,” ajoute Dieter Süss, responsable du département de physique des matériaux fonctionnels à l’Université de Vienne.
La capacité de rediriger les ondes de spin à la demande ouvre de nouvelles possibilités pour la création de circuits magnoniques reprogrammables, qui pourraient conduire à des systèmes informatiques plus adaptables et efficaces énergétiquement. Les résultats de cette recherche représentent une avancée majeure dans la recherche de nouvelles façons de générer des magnons, ouvrant la voie à des technologies magnonique de nouvelle génération.