Les chercheurs du MIT ont conçu une nouvelle conception de circuit qui permet un contrôle précis de l'informatique avec des ondes magnétiques, sans avoir besoin d'électricité. L'avancée fait un pas vers des dispositifs magnétiques pratiques, qui ont le potentiel de calculer beaucoup plus efficacement que l'électronique.

Les ordinateurs classiques dépendent de quantités massives d'électricité pour le calcul et le stockage de données, et génèrent beaucoup de chaleur perdue. A la recherche d'alternatives plus efficaces, les chercheurs ont commencé à concevoir des dispositifs « spintroniques » à base magnétique, qui consomment relativement peu d'électricité et ne génèrent pratiquement pas de chaleur.

Les dispositifs spintroniques exploitent l'« onde de spin », une propriété quantique des électrons, dans les matériaux magnétiques à structure en treillis. Cette approche implique de moduler les propriétés de l'onde de spin pour produire une sortie mesurable qui peut être corrélée au calcul. Jusqu'à maintenant, la modulation des ondes de spin a nécessité des courants électriques injectés à l'aide de composants volumineux qui peuvent provoquer un bruit de signal et annuler efficacement tous les gains de performances inhérents.

Les chercheurs du MIT ont développé une architecture de circuit qui utilise uniquement une paroi de domaine nanométrique dans des nanofilms en couches de matériau magnétique pour moduler une onde de spin passante, sans aucun composant supplémentaire ni courant électrique. À son tour, l'onde de rotation peut être réglée pour contrôler l'emplacement du mur, comme requis. Cela permet un contrôle précis de deux états d'onde de spin changeants, qui correspondent aux 1 et aux 0 utilisés en informatique classique.

À l'avenir, des paires d'ondes de spin pourraient être introduites dans le circuit via des canaux doubles, modulé pour différentes propriétés, et combinés pour générer des interférences quantiques mesurables, de la même manière que l'interférence des ondes photoniques est utilisée pour l'informatique quantique. Les chercheurs émettent l'hypothèse que de tels dispositifs spintroniques basés sur les interférences, comme les ordinateurs quantiques, pourrait exécuter des tâches très complexes avec lesquelles les ordinateurs conventionnels ont du mal.

« Les gens commencent à chercher de l'informatique au-delà du silicium. L'informatique par ondes est une alternative prometteuse, " dit Luqiao Liu, professeur au Département de génie électrique et d'informatique (EECS) et chercheur principal du Groupe des matériaux et dispositifs spintroniques du Laboratoire de recherche en électronique. "En utilisant ce mur de domaine étroit, on peut moduler l'onde de spin et créer ces deux états séparés, sans coûts énergétiques réels. Nous nous appuyons uniquement sur les ondes de spin et le matériau magnétique intrinsèque."

Rejoindre Liu sur le journal Science papier sont Jiahao Han, Pengxiang Zhang, et Justin T. Hou, trois étudiants diplômés du Spintronic Material and Device Group; et postdoctorante EECS Saima A. Siddiqui.

Magnons renversants

Les ondes de spin sont des ondulations d'énergie avec de petites longueurs d'onde. Morceaux de l'onde de spin, qui sont essentiellement le spin collectif de nombreux électrons, sont appelés magnons. Alors que les magnons ne sont pas de vraies particules, comme des électrons individuels, ils peuvent être mesurés de la même manière pour les applications informatiques.

Dans leur travail, les chercheurs ont utilisé un "mur de domaine magnétique personnalisé, " une barrière de la taille d'un nanomètre entre deux structures magnétiques voisines. Ils ont superposé un motif de nanofilms de cobalt/nickel—chacun de quelques atomes d'épaisseur—avec certaines propriétés magnétiques souhaitables qui peuvent gérer un volume élevé d'ondes de spin. Ensuite, ils ont placé le mur dans le milieu d'un matériau magnétique avec une structure en treillis spéciale, et incorporé le système dans un circuit.

D'un côté du circuit, les chercheurs ont excité des ondes de spin constantes dans le matériau. Alors que la vague traverse le mur, ses magnons tournent immédiatement en sens inverse :les magnons de la première région tournent vers le nord, tandis que ceux de la deuxième région, après le mur, tournent vers le sud. Cela provoque le changement dramatique de la phase de l'onde (angle) et une légère diminution de l'amplitude (puissance).

Dans les expériences, les chercheurs ont placé une antenne séparée sur le côté opposé du circuit, qui détecte et transmet un signal de sortie. Les résultats ont indiqué que, à son état de sortie, la phase de l'onde d'entrée a basculé de 180 degrés. La magnitude de la vague, mesurée du pic le plus élevé au plus bas, avait également diminué de manière significative.

Ajout de couple

Puis, les chercheurs ont découvert une interaction mutuelle entre l'onde de spin et la paroi du domaine qui leur a permis de basculer efficacement entre deux états. Sans le mur de domaine, le circuit serait uniformément magnétisé; avec le mur du domaine, le circuit a une scission, onde modulée.

En contrôlant l'onde de spin, ils ont découvert qu'ils pouvaient contrôler la position du mur de domaine. Cela repose sur un phénomène appelé, "couple de transfert de rotation, " c'est-à-dire lorsque les électrons en rotation secouent essentiellement un matériau magnétique pour inverser son orientation magnétique.

Dans les travaux des chercheurs, ils ont augmenté la puissance des ondes de spin injectées pour induire un certain spin des magnons. Cela attire en fait le mur vers la source d'onde amplifiée. Ce faisant, le mur se coince sous l'antenne, ce qui la rend incapable de moduler les ondes et assure une magnétisation uniforme dans cet état.

À l'aide d'un microscope magnétique spécial, ils ont montré que cette méthode provoque un décalage de taille micrométrique dans le mur, ce qui est suffisant pour le positionner n'importe où le long du bloc de matière. Notamment, le mécanisme du couple de transfert de spin magnon a été proposé, mais non démontré, il y a quelques années. "Il y avait de bonnes raisons de penser que cela arriverait, " dit Liu. " Mais nos expériences prouvent ce qui se passera réellement dans ces conditions. "

L'ensemble du circuit est comme une conduite d'eau, dit Liu. La vanne (paroi de domaine) contrôle la façon dont l'eau (onde de rotation) s'écoule à travers le tuyau (matériau). "Mais vous pouvez aussi imaginer que la pression de l'eau soit si élevée, il casse la vanne et la pousse vers l'aval, " dit Liu. " Si nous appliquons une onde de spin suffisamment forte, nous pouvons déplacer la position du mur du domaine, sauf qu'il se déplace légèrement vers l'amont, pas en aval."

De telles innovations pourraient permettre un calcul pratique basé sur les ondes pour des tâches spécifiques, comme la technique de traitement du signal, appelé "transformée de Fourier rapide". Prochain, les chercheurs espèrent construire un circuit d'onde fonctionnel capable d'exécuter des calculs de base. Entre autres, ils doivent optimiser les matériaux, réduire le bruit potentiel du signal, et étudier plus en détail à quelle vitesse ils peuvent basculer entre les états en se déplaçant autour du mur du domaine. "C'est le prochain sur notre liste de choses à faire, " dit Liu.