En raison de son potentiel pour rendre les ordinateurs plus rapides et les smartphones plus efficaces, la spintronique est considérée comme un concept prometteur pour l'avenir de l'électronique. En collaboration avec le Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), une équipe de chercheurs a maintenant réussi à générer des ondes de spin beaucoup plus facilement et efficacement qu'on ne le pensait auparavant. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique .

Les puces informatiques modernes sont basées sur le transport de charges électriques. Chaque événement de traitement fait circuler un courant d'électrons dans un composant électronique. Ces électrons rencontrent une résistance, qui génère de la chaleur indésirable. Plus les structures sur une puce sont petites, plus il est difficile de dissiper la chaleur. Cette architecture basée sur les charges est également en partie la raison pour laquelle les fréquences d'horloge des processeurs n'ont pas connu d'augmentation significative depuis des années. La courbe de développement constant des performances et de la vitesse des puces s'aplatit maintenant. « Les concepts existants atteignent leurs limites, " explique le Dr Sebastian Wintz de l'Institute of Ion Beam Physics and Materials Research au HZDR. " C'est pourquoi nous travaillons sur une nouvelle stratégie, les ondes de rotation."

Cette approche n'implique plus de frais de transport, mais ne transfère que le moment angulaire intrinsèque des électrons (spin) dans un matériau magnétique. Les électrons eux-mêmes restent stationnaires, alors que seuls leurs tours changent. Puisque les spins des électrons voisins se sentent, un changement dans un tour peut voyager vers ses voisins. Le résultat est un signal magnétique traversant le matériau comme une onde, une onde de spin. L'avantage des composants à rotation est qu'ils généreraient très peu de chaleur, ce qui signifie qu'ils pourraient consommer beaucoup moins d'énergie, ce qui présente un grand intérêt pour les appareils mobiles tels que les smartphones. Il peut également être possible de miniaturiser davantage les composants pour certaines applications car les ondes de spin ont des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que les signaux électromagnétiques comparables, par exemple dans la communication mobile. Cela signifie que nous pourrions installer plus de circuits sur une puce qu'aujourd'hui.

Agiter une onde de spin avec un vortex magnétique

Avant de pouvoir faire tout cela, nous avons d'abord besoin de beaucoup plus de recherche fondamentale. Par exemple, nous devons savoir comment générer efficacement des ondes de spin. Les experts essaient de résoudre ce problème depuis un certain temps maintenant, fixation de bandes métalliques de taille micrométrique sur de fines couches magnétiques. Un courant alternatif parcourant cette bande crée un champ magnétique limité à un très petit espace. Ce champ va alors exciter une onde de spin dans la couche magnétique. Mais cette méthode présente un inconvénient :il est difficile de rendre la longueur d'onde des ondes de spin générées inférieure à la largeur de la bande métallique, ce qui est défavorable au développement de composants hautement intégrés avec des structures de taille nanométrique.

Il existe pourtant une alternative :un matériau magnétique façonné en disques circulaires évoque la formation de tourbillons magnétiques dont les noyaux ne mesurent pas plus d'une dizaine de nanomètres. Un champ magnétique peut alors faire osciller ce noyau de vortex, qui déclenche une onde de spin dans la couche. « Il y a quelque temps, nous avions besoin de matériaux multicouches relativement complexes pour y parvenir, " rapporte Wintz. " Maintenant, nous avons réussi à envoyer des ondes de spin à partir de noyaux de vortex dans un matériau très simple. " Ils utilisent une couche d'alliage de nickel et de fer facile à fabriquer d'environ 100 nanomètres d'épaisseur.

Longueurs d'onde étonnamment courtes

Ce qui est remarquable, c'est la longueur d'onde des ondes de spin générées, à peine 80 nanomètres. "La communauté d'experts a été surprise que nous ayons fait cela dans un matériau aussi simple, " dit le Dr Georg Dieterle, qui a exploré le phénomène dans son doctorat. thèse au MPI-IS. "Nous ne nous attendions pas non plus à pouvoir générer des ondes aussi courtes à des fréquences dans la gamme des gigahertz inférieurs." Les experts pensent que la raison des courtes longueurs d'onde réside dans la façon dont elles voyagent. Près du centre de la section transversale de la couche de fer nickel, l'onde de spin forme une sorte de "nœud", à l'intérieur duquel la direction magnétique oscille uniquement de haut en bas plutôt que le long de sa trajectoire habituellement circulaire.

Pour rendre ces phénomènes visibles, l'équipe a utilisé un microscope spécial à rayons X sur l'anneau de stockage d'électrons BESSY II au Helmholtz Zentrum Berlin. "C'est le seul endroit sur terre qui offre les résolutions spatiales et temporelles nécessaires dans cette combinaison, " souligne le Pr Gisela Schütz, directeur chez MPI-IS. "Sans ce microscope, nous n'aurions pas pu observer ces effets. » Les experts espèrent maintenant que leurs résultats aideront à poursuivre le développement de la spintronique. « Nos cœurs de vortex pourraient, par exemple, servir de local, source bien contrôlable pour explorer les phénomènes sous-jacents et développer de nouveaux concepts avec des composants basés sur les ondes de spin, " dit Dieterle. " Les ondes de spin que nous avons observées pourraient être d'une pertinence future pour les circuits hautement intégrés. "