Alors que la demande en ressources informatiques continue d’augmenter rapidement, les scientifiques et les ingénieurs recherchent des moyens de construire des systèmes plus rapides pour traiter l’information. Une solution possible consiste à utiliser des modèles de spins électroniques, appelés ondes de spin, pour transférer et traiter les informations beaucoup plus rapidement que dans les ordinateurs conventionnels. Jusqu'à présent, un défi majeur a été de manipuler ces ondes de spin ultrarapides pour effectuer un travail utile.

Dans le cadre d'un grand pas en avant, des chercheurs de l'Université du Texas à Austin et du MIT ont développé une méthode pionnière pour manipuler avec précision ces ondes de spin ultrarapides à l'aide d'impulsions lumineuses adaptées. Leurs résultats sont détaillés dans deux études publiées dans Nature Physics. , dirigé par Zhuquan Zhang, étudiant diplômé du MIT, Frank Gao, chercheur postdoctoral à l'Université du Texas à Austin, Keith Nelson, professeur de chimie au MIT, et Edoardo Baldini, professeur adjoint de physique à l'UT Austin.

Un élément clé de nos smartphones, d’Internet et du cloud computing est la technologie d’enregistrement de données magnétiques permettant de stocker et de récupérer de grandes quantités d’informations. Cette technologie repose sur la manipulation des états de spin magnétique (haut et bas) dans les matériaux ferromagnétiques, représentant les bits binaires « 0 » et « 1 ». Ces spins sont de minuscules aimants dont l'alignement détermine les propriétés magnétiques du matériau.

Lorsque les chercheurs frappent un ensemble d'atomes dans ces matériaux avec de la lumière, leurs spins vacillent selon un motif qui se propage à travers les atomes voisins comme des vagues sur un étang lorsqu'une pierre tombe dedans. Il s'agit d'une onde de spin.

Contrairement à ces matériaux de stockage de données conventionnels, une classe spéciale de matériaux magnétiques appelés antiferromagnétiques présente des spins alignés dans des directions opposées. Les ondes de spin dans ces matériaux sont généralement beaucoup plus rapides que leurs homologues dans les ferromagnétiques et recèlent donc un potentiel pour les futures architectures de traitement de l'information à grande vitesse.

Les chercheurs ont expérimenté un antiferromagnétique appelé orthoferrite. Ce matériau héberge une paire d’ondes de spin distinctes qui ne communiquent généralement pas entre elles. En utilisant la lumière térahertz (THz), invisible à l'œil humain aux fréquences infrarouges extrêmes, les chercheurs ont réussi à faire interagir ces ondes de spin.

Dans un article, ils ont montré que l'utilisation de champs THz intenses pour exciter une onde de spin à une certaine fréquence peut déclencher une autre onde de spin à une fréquence plus élevée, un peu comme les harmoniques qui apparaissent naturellement lorsqu'une corde de guitare est pincée.

"Cela nous a vraiment surpris", a déclaré Zhang. "Cela signifiait que nous pouvions contrôler de manière non linéaire le flux d'énergie au sein de ces systèmes magnétiques."

Dans un autre article, ils ont découvert que l’excitation de deux ondes de spin différentes peut donner naissance à une nouvelle onde de spin hybride. Baldini a déclaré que c'était particulièrement passionnant car cela pourrait aider à faire passer la technologie de la spintronique à un nouveau domaine appelé magnonique. En spintronique, l’information est transportée dans le spin des électrons individuels. En magnonique, les informations sont transportées dans des ondes de spin (également appelées magnons).

"Ici, contrairement à la spintronique, vous utilisez ce type collectif d'ondes de spin qui impliquent simultanément de très nombreux spins d'électrons", a déclaré Baldini. "Cela peut vous conduire à des délais extrêmement rapides qui ne sont pas accessibles en spintronique et également déplacer les informations de manière plus efficace."

Pour mener à bien ce travail révolutionnaire, les chercheurs ont développé un spectromètre sophistiqué pour découvrir le couplage mutuel entre des ondes de spin distinctes et révéler leurs symétries sous-jacentes.

"Contrairement à la lumière visible qui peut être facilement vue à l'œil nu, la lumière THz est difficile à détecter", a déclaré Gao. "Ces expériences seraient autrement impossibles sans le développement de la technique, qui nous a permis de mesurer les signaux THz avec une seule impulsion lumineuse."

Plus d'informations : Zhuquan Zhang et al, Conversion ascendante de magnon pilotée par champ térahertz dans un antiferromagnétique, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02350-7

Zhuquan Zhang et al, Couplage non linéaire induit par un champ térahertz de deux modes magnon dans un antiferromagnétique, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02386-3

Fourni par l'Université du Texas à Austin