Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont démontré une nouvelle façon potentielle de faire des commutateurs à l'intérieur des puces de traitement d'un ordinateur, leur permettant d'utiliser moins d'énergie et de rayonner moins de chaleur.

L'équipe a développé une technique pratique pour contrôler les magnons, qui sont essentiellement des ondes qui traversent des matériaux magnétiques et peuvent véhiculer des informations. L'utilisation de magnons pour le traitement de l'information nécessite un mécanisme de commutation qui peut contrôler la transmission d'un signal magnon à travers l'appareil.

Alors que d'autres laboratoires ont créé des systèmes qui transportent et contrôlent des magnons, l'approche de l'équipe apporte deux premières importantes :ses éléments peuvent être construits sur du silicium plutôt que sur des substrats exotiques et coûteux, comme d'autres approches l'ont exigé. Il fonctionne également efficacement à température ambiante, plutôt que de nécessiter une réfrigération. Pour ces raisons et d'autres, cette nouvelle approche pourrait être plus facilement employée par les fabricants d'ordinateurs.

« C'est une pierre angulaire qui pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de technologies informatiques hautement efficaces, " a déclaré Patrick Quarterman, membre de l'équipe, un physicien au NIST Center for Neutron Research (NCNR). « D'autres groupes ont créé et contrôlé des magnons dans des matériaux qui s'intègrent mal aux puces informatiques, tandis que le nôtre est construit sur du silicium. C'est beaucoup plus viable pour l'industrie."

Magnon, aussi appelées ondes de spin, exploiterait la propriété du spin des électrons pour transférer l'information. L'une des raisons pour lesquelles les puces informatiques deviennent si chaudes est que dans un circuit conventionnel, les électrons voyagent d'un endroit à un autre, et leur mouvement génère de la chaleur. Un magnon, cependant, se déplace à travers une longue chaîne d'électrons, qui eux-mêmes n'ont pas besoin de voyager. Au lieu, la direction de spin de chaque électron, qui ressemble un peu à une flèche passant par l'axe d'une toupie, influence magnétiquement la direction de spin de l'électron suivant en ligne. Ajuster le spin du premier électron envoie une vague de changements de spin se propageant le long de la corde. Parce que les électrons eux-mêmes ne bougeraient pas, beaucoup moins de chaleur en résulterait.

Parce que la chaîne d'électrons s'étend d'un endroit à un autre, le magnon peut transporter des informations au fur et à mesure qu'il se déplace le long de la chaîne. Dans les puces basées sur la technologie magnon, des hauteurs de vagues plus grandes et plus petites (amplitudes) pourraient représenter des uns et des zéros. Et parce que la hauteur des vagues peut changer progressivement, un magnon pourrait représenter des valeurs comprises entre un et zéro, ce qui lui donne plus de capacités qu'un commutateur numérique conventionnel.

Bien que ces avantages aient fait du traitement de l'information basé sur magnon une idée alléchante en théorie, jusqu'à présent, la plupart des structures réussies ont été construites dans de multiples couches de films minces reposant sur une base de grenat de gadolinium et de gallium, plutôt que sur le silicium à partir duquel les puces commerciales sont fabriquées. Ce matériau « GGG » serait d'un coût prohibitif à produire en série.

"C'est un terrain de jeu amusant pour la physique qui démontre les principes de base, " Quarterman a dit, "mais ce n'est pas pratique pour une production à l'échelle industrielle."

Cependant, Yabin Fan et ses collègues du MIT ont utilisé une approche d'ingénierie créative pour superposer les couches minces sur une base de silicium. Leur objectif était de construire leur système sur le matériel avec lequel l'industrie informatique est habituée depuis longtemps à travailler, permettant ainsi aux magnons de s'interfacer avec la technologie informatique conventionnelle.

Initialement, leur création multicouche ne s'est pas comportée comme prévu, mais les scientifiques du NCNR ont utilisé une technique appelée réflectométrie neutronique pour explorer le comportement magnétique au sein de l'appareil. Les neutrons ont révélé une interaction inattendue mais avantageuse entre deux des couches minces :en fonction de la quantité de champ magnétique appliqué, les matériaux s'ordonnent de différentes manières qui pourraient représenter l'état "on" ou "off" d'un interrupteur, ainsi que des positions entre marche et arrêt, ce qui en fait une vanne.

« Au fur et à mesure que vous abaissez le champ magnétique, les commutateurs de direction, " dit Fan, un associé postdoctoral dans le département de génie électrique du MIT. "Les données sont très claires et nous ont montré ce qui se passait à différentes profondeurs. Il y a un couplage très fort entre les couches."

Le commutateur magnon pourrait être utilisé dans des appareils qui effectuent également un autre type de calcul. Les commutateurs numériques conventionnels ne peuvent exister que dans des états activés ou désactivés, mais parce que l'amplitude de l'onde de spin peut changer progressivement de petite à grande, il est possible que les magnons puissent être utilisés dans des applications de calcul analogique, où le commutateur a des valeurs comprises entre 0 et 1.

"C'est pourquoi nous considérons cela comme une vanne, " Quarterman a déclaré. "Vous pouvez l'ouvrir ou le fermer un peu à la fois."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.