Dans les années récentes, le traitement électronique des données n'a évolué que dans un seul sens :l'industrie a réduit ses composants au nanomètre. Mais ce processus atteint maintenant ses limites physiques. Les chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) explorent donc les ondes de spin, ou ce que l'on appelle les magnons, une alternative prometteuse pour le transport d'informations dans des micropuces plus compactes. Coopérer avec des partenaires internationaux, ils ont réussi à générer et à contrôler des ondes de spin de très courte longueur d'onde. Les physiciens ont réussi cet exploit en exploitant un phénomène magnétique naturel, comme ils l'expliquent dans le journal Nature Nanotechnologie .

Pendant longtemps, il existe une règle empirique fiable dans le monde des technologies de l'information :le nombre de transistors sur un microprocesseur double environ tous les deux ans. L'augmentation des performances qui en a résulté nous a apporté les opportunités numériques que nous tenons désormais pour acquises, de l'internet haut débit au smartphone. Mais comme les conducteurs sur la puce deviennent de plus en plus petits, nous commençons à rencontrer des problèmes, comme l'explique le Dr Sebastian Wintz de l'Institut de recherche sur la physique et les matériaux des faisceaux ioniques du HZDR :« Les électrons qui traversent nos microprocesseurs modernes chauffent la puce en raison de la résistance électrique. Au-delà d'un certain point, les puces tombent simplement en panne parce que la chaleur ne peut plus s'échapper. » Cela empêche également une nouvelle augmentation de la vitesse des composants.

C'est pourquoi le physicien, qui travaille également actuellement à l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, envisage un avenir différent pour les supports d'information. Au lieu de courants électriques, Wintz et ses collègues capitalisent sur une propriété spécifique des électrons appelée spin. Les minuscules particules se comportent comme si elles tournaient constamment autour de leur propre axe, créant ainsi un moment magnétique. Dans certains matériaux magnétiques, comme le fer ou le nickel, les spins sont généralement parallèles les uns aux autres. Si l'orientation de ces spins est modifiée à un endroit, que la perturbation se propage aux particules voisines, déclenchant une onde de spin qui peut être utilisée pour coder et distribuer des informations. "Dans ce scénario, les électrons restent où ils sont, " dit Wintz, décrivant leur avantage. "Ils ne dégagent pratiquement pas de chaleur, ce qui signifie que les composants basés sur le spin pourraient nécessiter beaucoup moins d'énergie.

Comment contrôler la vague ?

Jusque là, cependant, il y a eu deux défis fondamentaux compliquant l'utilisation des ondes de spin :les longueurs d'onde qui peuvent être générées ne sont pas assez courtes pour les structures de taille nanométrique sur les puces, et il n'y a aucun moyen de contrôler les vagues. Sebastian Wintz et ses collègues ont maintenant pu trouver des solutions à ces deux problèmes. "Contrairement aux antennes artificielles qui sont couramment utilisées pour exciter les ondes, nous en utilisons maintenant un qui se forme naturellement à l'intérieur du matériau, " explique le premier auteur, le Dr Volker Sluka. " A cette fin, nous avons fabriqué des micro-éléments comprenant deux disques ferromagnétiques couplés de manière antiferromagnétique via une entretoise en Ruthénium. Par ailleurs, nous avons choisi le matériau des disques pour que les spins préfèrent s'aligner le long d'un axe particulier dans l'espace, ce qui donne le motif magnétique souhaité."

Au sein des deux couches, cela crée des zones de magnétisation différente séparées par ce qu'on appelle une paroi de domaine. Les scientifiques ont ensuite exposé les couches à des champs magnétiques alternant avec une fréquence d'un gigahertz ou plus. À l'aide d'un microscope à rayons X de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart, qui est exploité au Helmholtz-Zentrum Berlin, ils ont pu observer que les ondes de spin avec des fronts d'onde parallèles se déplacent le long de la direction perpendiculaire à la paroi du domaine. « Dans les expériences précédentes, les ondulations de la vague ressemblaient à celles que l'on obtient lorsqu'un caillou frappe la surface de l'eau, " rapporte Sluka. " Ce n'est pas optimal, car l'oscillation décroît rapidement à mesure que l'onde se propage dans toutes les directions. Pour rester dans la même analogie, les vagues ont maintenant l'air d'être produites par une longue tige qui va et vient dans l'eau."

Comme l'ont montré les images radiographiques, ces ondes de spin peuvent parcourir plusieurs micromètres à des longueurs d'onde de seulement environ 100 nanomètres, sans aucune perte significative de signal - une condition préalable nécessaire pour les utiliser dans les technologies de l'information modernes. De plus, les physiciens ont découvert un moyen possible de contrôler ce nouveau support d'information en fixant la fréquence de stimulation en dessous d'un demi-gigahertz. Les ondes de spin sont ainsi restées piégées dans la paroi du domaine :« Dans ce scénario, les vagues ont même pu courir dans une courbe, " dit Volker Sluka, ajoutant:"Néanmoins, nous étions toujours en mesure de détecter les signaux." Avec leurs résultats, les chercheurs ont jeté des bases importantes pour le développement ultérieur des circuits basés sur les ondes de spin.

À long terme, cela pourrait faciliter une conception complètement nouvelle de microprocesseurs, Sebastian Wintz prédit :« En utilisant des champs magnétiques, nous pouvons déplacer les murs de domaine relativement facilement. Cela signifie que les puces qui fonctionnent avec des ondes de spin n'ont pas nécessairement besoin d'une architecture prédéfinie, mais ils peuvent ensuite être modifiés et adaptés pour accomplir de nouvelles tâches."