Figure 1 – Distribution 2D de la propagation des ondes de spin dans un conduit CoFeB de 1µm de large enregistré par spectroscopie de diffusion de la lumière Brillouin (BLS).
Lors de la conférence annuelle sur le magnétisme et les matériaux magnétiques, imec, le centre de recherche et d'innovation leader mondial en nano-électronique et technologies numériques, ont présenté des résultats révolutionnaires soutenant la construction de portes majoritaires technologiques basées sur des ondes de spin. Rapportant deux réalisations inédites dans l'industrie qui sont cruciales pour la technologie ultrabasse consommation au-delà du CMOS, imec a démontré la génération et la détection d'ondes de spin dans des guides d'ondes magnétiques de taille inférieure au micron avec des longueurs d'onde inférieures à 350 nm se déplaçant sur 10 micromètres dans un guide d'ondes de 500 nm de large, et des modèles proposés pour un fonctionnement majoritaire dans des structures à ondes de spin à l'échelle nanométrique.
Les dispositifs à grille majoritaire spintronique sont des alternatives prometteuses à la technologie CMOS pour certaines applications, par exemple pour les circuits arithmétiques. Les portes majoritaires sont des dispositifs où l'état de la sortie est déterminé par la majorité des entrées :si par exemple plus de 50 % des entrées sont vraies, la sortie doit retourner vrai. La sortie de la porte majoritaire à ondes de spin est alors basée sur l'interférence de plusieurs ondes de spin qui se propagent dans un bus dit à ondes de spin, ou guide d'onde. Une fois miniaturisé à l'échelle nanométrique, les portes majoritaires à ondes de spin pourraient permettre des circuits arithmétiques beaucoup plus compacts et économes en énergie que les circuits à base de CMOS.
Imec, en collaboration avec l'Université de Kaiserslautern et l'Université Paris-Sud, ont étudié la propagation des ondes de spin dans un guide d'ondes magnétique de 10 nm d'épaisseur. Surtout, ils ont découvert que les ondes de spin, excité par une antenne RF, peut parcourir plus de 10 micromètres dans un guide d'ondes de 500 nm de large. Dans une deuxième expérience, ils ont développé une méthode de détection tout électrique pour caractériser les ondes de spin se propageant dans un bus magnétique. Des ondes de spin avec des longueurs d'onde aussi minuscules que 340 nm ont pu être détectées - plus de deux fois plus petites que les résultats de l'industrie précédemment obtenus - ouvrant la voie à des conduits d'ondes de spin à grande échelle.
Figure 2 – Structure en fourche d'une porte majoritaire constituée de cellules magnéto-électriques d'entrée et de sortie intégrées dans un bus à ondes de spin. L'image montre un instantané à t=0.8ns lorsque les entrées sont 110. Crédit :imec
Grâce à des simulations micromagnétiques, le fonctionnement d'une structure majoritaire à onde de spin de type fourche à l'échelle nanométrique a été démontré avec succès. A ces petites dimensions, des cellules magnéto-électriques sont utilisées à la place des antennes pour exciter et détecter les ondes de spin. Le schéma de détection proposé a permis à imec de capturer le résultat de la phase majoritaire de l'interférence de l'onde de spin dans un laps de temps très court, qui était inférieure à trois nanosecondes.
« Des portes majoritaires à ondes de spin avec des dimensions microscopiques ont déjà été signalées, cependant, pour qu'ils soient compétitifs CMOS, ils doivent être dimensionnés et gérer des ondes avec des longueurs d'onde nanométriques, " a déclaré Iuliana Radu, membre distingué du personnel technique coordonnant Beyond CMOS à l'imec. "Nous proposons ici une méthode pour mettre à l'échelle ces dispositifs à ondes de spin dans des dimensions nanométriques. Les résultats exceptionnels d'aujourd'hui ouvriront des voies vers la construction de portes majoritaires à ondes de spin qui promettent de surpasser la technologie logique basée sur CMOS en termes de réduction de puissance et de surface."
