Une équipe internationale de Delft, Lancastre, Nimègue, Kiev et Salerne ont démontré une nouvelle technique pour générer des ondes magnétiques qui se propagent à travers le matériau à une vitesse beaucoup plus rapide que la vitesse du son.

Ces ondes dites de spin produisent beaucoup moins de chaleur que les courants électriques conventionnels, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les futurs dispositifs de calcul avec une consommation d'énergie considérablement réduite.

Des physiciens et des ingénieurs du monde entier réfléchissent constamment à des moyens d'améliorer les performances des appareils de traitement de données. Beaucoup de leurs idées tournent autour de la substitution des courants électriques, qui transportent les signaux en électronique conventionnelle, avec des vagues. Les ondes sont des excitations cohérentes, ce qui signifie que l'information peut être codée à la fois dans l'amplitude et la phase de l'onde. Interférence et diffraction, phénomènes naturels pour une onde de toute nature, permettre la création de circuits logiques dits à ondes, les minuscules blocs de construction pour les futures applications de traitement de données. Étant donné que les ondes traversent des matériaux ayant une résistance nettement inférieure à celle des courants électriques, ils ont le potentiel de réduire considérablement la consommation d'énergie dans l'informatique future.

Ondes de spin dans les antiferromagnétiques

Ondes magnétiques, aussi appelées ondes de spin, sont l'un des candidats les plus prometteurs pour les dispositifs logiques à base d'ondes. Des expériences utilisant des ondes de spin dans des (ferro)aimants réguliers ont montré qu'il est possible de construire de petits dispositifs logiques sans utiliser de courants électriques. Les ferroaimants sont caractérisés par une magnétisation nette. En raison de ce dernier, nous pouvons écrire et lire des informations magnétiques sur les ferroaimants à l'aide d'un champ magnétique externe.

Dans les années récentes, il y a eu un changement d'orientation vers l'utilisation d'antiferroaimants. Dans les matériaux antiferromagnétiques, les moments magnétiques microscopiques des atomes voisins - les spins - sont étroitement couplés et alternent entre deux orientations opposées, telle qu'il n'y a pas de magnétisation nette. L'existence de cet ordre alternatif conduit à des vitesses de propagation des ondes de spin significativement plus élevées et à la possibilité de fréquences d'horloge opérationnelles térahertz (billions de hertz). Cependant, l'absence de l'aimantation rend également les antiferromagnétiques magnétiquement « invisibles » :il est très difficile de détecter et d'influencer l'ordre antiferromagnétique. La pratique a montré qu'il est encore plus difficile de générer et de détecter des ondes de spin qui peuvent se déplacer à travers des milieux antiferromagnétiques. Par conséquent, Les concepts informatiques basés sur les ondes de spin antiferromagnétiques ont jusqu'à présent existé en tant que domaine d'opportunités passionnantes théoriquement attrayant mais expérimentalement inexploré. Trouver de nouvelles façons de contrôler les « moments magnétiques » dans les antiferromagnétiques est donc d'une importance cruciale.

L'équipe internationale de chercheurs a maintenant réussi à créer des ondes magnétiques cohérentes de taille nanométrique dans un antiferromagnétique qui se déplacent à des vitesses supersoniques à travers le matériau. Leur astuce consistait à utiliser des impulsions lumineuses ultracourtes à la fois pour créer et détecter ces ondes de spin. "Alors que nous savions que les impulsions lumineuses ultracourtes sont capables d'influencer les propriétés magnétiques des matériaux antiferromagnétiques, la possibilité de lancer des ondes de spin se propageant à courte longueur d'onde avec la lumière était encore assez inattendue", déclare le chercheur Jorrit Hortensius de l'Université de technologie de Delft. "C'est parce que les impulsions lumineuses n'ont pas l'élan nécessaire pour créer des ondes de spin de courte longueur d'onde ou de grande impulsion."

Un coup de pied local ultrarapide

On sait depuis quelques années que des impulsions lumineuses ultracourtes pourraient être la clé de la création d'ondes de spin se propageant à haute fréquence. En une picoseconde (un millionième de millionième de seconde), de telles impulsions peuvent ébranler le système magnétique ordonné et déclencher un mouvement magnétique dans les antiferroaimants. Cependant, typiquement, la zone excitée reste localisée et ne supporte pas la propagation. Faire voyager l'excitation à travers le matériau nécessitait un autre ingrédient caché. "La plupart des matériaux antiferromagnétiques sont des diélectriques, ce qui signifie qu'ils sont transparents pour la lumière visible. Nous avons plutôt utilisé la lumière ultraviolette qui est fortement absorbée, de sorte que nous ne secouons les spins que très près de la surface du matériau, dans ce qu'on appelle la profondeur de la peau", dit le chercheur Dmytro Afanasiev. "La combinaison du coup de pied ultrarapide avec le fort confinement à la surface du matériau s'est avérée être la combinaison pour induire la propagation des ondes de spin antiferromagnétiques."

Les ondes de spin ont des longueurs d'onde d'environ 100 nm, qui est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Cela fait croire aux chercheurs qu'ils auraient pu créer des ondes de spin encore plus petites, même s'ils ne peuvent pas les observer avec leurs instruments actuels. Jorrit Hortensius :"Comme les ondes de spin avec de très petites longueurs d'onde sont les plus intéressantes pour créer des éléments de calcul très compacts, nous sommes très curieux de savoir quelle est la limite."

Ce travail rapproche les futurs dispositifs à ondes de spin dans les antiferromagnétiques de la réalité. Rostislav Mikhaylovskiy de l'Université de Lancaster a déclaré :"Traditionnellement, les matériaux antiferromagnétiques ont été considérés comme pratiquement inutiles car ils ne possèdent pas de magnétisation. Cependant, très récemment, les fonctionnalités uniques des antiferromagnétiques ont déclenché un véritable essor de leurs études. Nous pensons que nos découvertes stimuleront de nouvelles recherches sur les ondes de spin antiferromagnétiques et permettront éventuellement de mettre en pratique un dispositif logique basé sur des antiferromagnétiques, ouvrant potentiellement la porte à une réduction radicale de la puissance nécessaire au calcul. »