Avec l'avancée rapide de la miniaturisation, le traitement des données à l'aide de courants électriques fait face à des défis de taille, dont certains sont insurmontables. Les ondes de spin magnétiques sont une alternative prometteuse pour le transfert d'informations dans des puces encore plus compactes. Les scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dans le cadre d'une entreprise de recherche internationale, ont maintenant réussi à générer des ondes de spin avec des longueurs d'onde extrêmement courtes de l'ordre du nanomètre - une caractéristique clé pour leur future application.

Plus petite, plus rapide, plus économes en énergie - c'est le mantra pour le développement ultérieur des ordinateurs et des téléphones portables qui progresse actuellement à un rythme époustouflant. Cependant, Le Dr Sebastian Wintz du HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research ne sait que trop bien, combien il est déjà difficile d'atteindre un degré supplémentaire de miniaturisation. "Un problème majeur avec les technologies actuelles, " il a dit, "est la chaleur qui est générée lorsque les données sont transmises à l'aide de courants électriques. Nous avons besoin d'un nouveau concept." Le physicien travaille avec des collègues internationaux sur ce que l'on appelle les ondes de spin (magnons) qui devraient remplacer à l'avenir les charges mobiles en tant que supports d'information. Les scientifiques ont maintenant réussi pour la première fois à générer des ondes de spin de longueurs d'onde si courtes qu'elles ont un potentiel pour de futures applications dans le traitement des données.

Les ondes de spin remplacent le courant électrique

Le spin dénote une propriété qui confère aux particules un moment magnétique. Ils agissent alors comme de minuscules aimants parallèles les uns aux autres dans des matériaux ferromagnétiques. Si l'une des vrilles change alors de direction, cela a un effet d'entraînement sur ses voisins. Une réaction en chaîne donne naissance à une onde de spin.

Le traitement de l'information est actuellement basé sur les courants électriques. Les particules chargées se déplacent à travers un réseau de fils qui sont de plus en plus serrés les uns contre les autres, poussé par le désir de puces toujours plus compactes. En route, les électrons entrent en collision avec les atomes, les faisant basculer d'avant en arrière dans le réseau cristallin, générant ainsi de la chaleur. Si les fils sont trop rapprochés, cette chaleur ne peut plus être dissipée et le système tombe en panne. "Le grand avantage des ondes de spin est que les électrons eux-mêmes ne bougent pas, " expliqua Wintz, « Par conséquent, le flux de données produit peu de chaleur précieuse. »

Vortex magnétique comme nano-antenne

L'approche traditionnelle adoptée pour générer des ondes de spin consiste à utiliser de petites antennes métalliques qui génèrent des magnons lorsqu'elles sont entraînées par un courant alternatif à haute fréquence. La plus petite longueur d'onde qui peut être générée de cette manière sera de la taille de l'antenne utilisée. C'est précisément là que le problème majeur réside dans le fait que de petites longueurs d'onde à l'échelle du nanomètre sont nécessaires pour satisfaire la demande de miniaturisation toujours plus grande. Ce n'est pas possible actuellement, cependant, faire de si petites antennes à haute fréquence.

L'équipe de recherche d'Allemagne, La Suisse et les États-Unis ont maintenant réussi à générer des ondes de spin de très courte longueur d'onde d'une manière entièrement nouvelle. En tant qu'antenne formée naturellement, ils utilisent le centre d'un vortex magnétique qui est produit dans un petit, disque ferromagnétique ultra-mince. En raison de la taille limitée du disque, les spins ne s'alignent pas tous parallèlement comme d'habitude mais se situent le long de cercles concentriques dans le plan du disque. Cette, à son tour, force les rotations à partir d'une petite zone au centre du disque, qui ne mesure que quelques nanomètres de diamètre, se redresser et, Donc, pointer loin de la surface du disque. Si cette région centrale est soumise à un champ magnétique alternatif alors une onde de spin est produite.

Quelques astuces supplémentaires sont nécessaires, cependant, afin de raccourcir la longueur d'onde au besoin. Par conséquent, un deuxième petit disque est placé sur le premier, séparés par une mince, couche non magnétique. Lorsque cette couche de séparation est fabriquée avec une épaisseur spécifique, puis les deux disques interagissent de manière à provoquer un couplage antiferromagnétique entre les disques - les spins essaient de pointer dans des directions opposées - ce qui réduit plusieurs fois la longueur d'onde des ondes de spin émises. "Ce n'est qu'ainsi que l'on parvient à un résultat pertinent pour les technologies de l'information, " a ajouté Wintz.

Propriétés attrayantes pour les applications

Les scientifiques ont non seulement démontré les courtes longueurs d'onde des ondes de spin générées de cette manière, mais ont également pu révéler d'autres propriétés des ondes qui pourraient être très utiles pour de futures applications. À l'aide de films à haute vitesse pris avec un microscope à rayons X appartenant à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart (qui est installé au Helmholtz-Zentrum Berlin), ils ont montré que la longueur d'onde peut être ajustée avec précision par la sélection de the excitation frequency. Similar measurements were also carried out at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. De plus, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.