Leur découverte, publiée dans Nature , pourrait ouvrir la voie au développement de technologies d’information quantique sans dissipation. Comme les ondes de spin n'impliquent pas de courants électriques, ces puces seront exemptes de pertes d'énergie associées.

La popularité croissante de l’intelligence artificielle s’accompagne d’un désir croissant de dispositifs informatiques rapides et économes en énergie et nécessite de nouvelles façons de stocker et de traiter les informations. Les courants électriques dans les appareils conventionnels souffrent de pertes d'énergie et d'un échauffement ultérieur de l'environnement.

Une alternative aux courants électriques « avec perte » consiste à stocker et à traiter les informations sous forme d’ondes, en utilisant les spins des électrons au lieu de leurs charges. Ces spins peuvent être considérés comme les unités élémentaires des aimants.

L'auteur principal, le Dr Rostislav Mikhaylovskiy de l'Université de Lancaster, a déclaré :"Notre découverte sera essentielle pour le futur calcul basé sur les ondes de spin. Les ondes de spin sont un support d'information attrayant car elles n'impliquent pas de courants électriques et ne souffrent donc pas de pertes résistives."

On sait depuis de nombreuses années que les spins peuvent être expulsés de leur orientation d’équilibre. Après cette perturbation, les spins commencent à précéder (c'est-à-dire à tourner) autour de leur position d'équilibre. Dans les aimants, les spins voisins sont extrêmement fortement couplés, formant une magnétisation nette. Grâce à ce couplage, la précession de spin peut se propager dans le matériau magnétique, donnant naissance à une onde de spin.

"L'observation de la conversion non linéaire de magnons à propagation cohérente à l'échelle nanométrique, qui est une condition préalable à tout traitement pratique de données basé sur les magnons, est recherchée par de nombreux groupes dans le monde depuis plus d'une décennie. Par conséquent, notre expérience constitue un jalon pour les études sur les ondes de spin, qui a le potentiel d'ouvrir une toute nouvelle direction de recherche sur la magnonique cohérente ultrarapide avec un œil sur le développement de technologies d'information quantique sans dissipation. "

Les chercheurs ont utilisé le fait que les fréquences de rotation de spin les plus élevées possibles peuvent être trouvées dans des matériaux dans lesquels les spins adjacents sont inclinés les uns par rapport aux autres.

Pour exciter une dynamique de spin aussi rapide, ils ont utilisé une impulsion lumineuse très courte, dont la durée est plus courte que la période de l’onde de spin, c’est-à-dire moins d’un billionième de seconde. L'astuce pour générer l'onde de spin ultrarapide à l'échelle nanométrique réside dans l'énergie photonique de l'impulsion lumineuse.

Le matériau étudié présente une absorption extrêmement forte aux énergies photoniques ultraviolettes (UV), qui localise l'excitation dans une région très fine de seulement quelques dizaines de nanomètres de l'interface, ce qui permet des ondes de spin avec des fréquences térahertz (un billion de Hertz) et des longueurs d'onde submicrométriques émergent.

La dynamique de ces ondes de spin est intrinsèquement non linéaire, ce qui signifie que les ondes de fréquences et de longueurs d'onde différentes peuvent être converties les unes dans les autres.

Les chercheurs ont pour la première fois réalisé cette possibilité dans la pratique. Ils y sont parvenus en excitant le système non pas avec une seule, mais avec deux impulsions laser intenses, séparées par un court délai.

Premier auteur Ruben Leenders, ancien doctorat. étudiant à l'Université de Lancaster, a déclaré :« Dans une expérience typique d'excitation à impulsion unique, nous nous attendrions simplement à ce que les deux ondes de spin interfèrent l'une avec l'autre comme le font n'importe quelle onde. Cependant, en faisant varier le délai entre les deux impulsions, nous avons constaté que cela la superposition des deux vagues ne tient pas."

L’équipe a expliqué les observations en considérant le couplage de l’onde de spin déjà excitée avec la deuxième impulsion lumineuse. Le résultat de ce couplage est que lorsque les spins tournent déjà, la deuxième impulsion lumineuse donne un coup de pied supplémentaire aux spins.

La force et la direction de ce coup de pied dépendent de l'état de déviation des spins au moment où arrive cette deuxième impulsion lumineuse. Ce mécanisme permet de contrôler les propriétés des ondes de spin telles que leur amplitude et leur phase, simplement en choisissant le délai approprié entre les excitations.