Des processeurs encore plus rapides avec des dimensions encore plus petites ? Partout où ni l'électronique ni la spintronique ne peuvent faire face à la performance ou à la miniaturisation, magnonics vient à la rescousse. Mais avant que cela n'arrive, les scientifiques doivent apprendre à simuler avec précision le flux d'ondes magnétiques à travers des cristaux magnéniques. A l'Institut de Physique Nucléaire de l'Académie Polonaise des Sciences de Cracovie, un pas important dans cette direction vient d'être fait.

On peut se demander si le nombre de trous dans le fromage est lié ou non à sa qualité. Les physiciens qui s'occupent des matériaux magnéniques n'ont pas de tels dilemmes :plus il y a de trous dans le matériau, plus ses propriétés magnétiques deviennent intéressantes, mais aussi radicalement plus difficile à décrire et à modéliser. Dans un article publié dans Rapports scientifiques un groupe de physiciens expérimentaux et théoriques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie présente une nouvelle, modèle vérifié expérimentalement, qui pour la première fois, permet de simuler des changements locaux des propriétés magnétiques des cristaux magnéniques, avec une grande précision. Sous ce nom exotique se cachent minces, structures métalliques multicouches contenant une grille régulière de plus petite ou plus grande, trous ronds plus ou moins contigus. Les analyses basées à Cracovie suggèrent également que les phénomènes magnétiques se produisant dans les cristaux magnoniques sont plus complexes que prévu.

"Les structures métalliques multicouches avec une grille régulière de trous ronds n'ont été étudiées que récemment - et non sans problèmes. Le fait est que ce réseau de trous modifie radicalement les propriétés magnétiques du système, surtout la manière dont les ondes magnétiques s'y propagent. Les phénomènes deviennent si compliqués qu'à ce jour personne n'a pu bien les décrire ou les simuler, " dit le Dr Michal Krupinski (FIJ PAN).

L'électronique est le traitement de l'information au moyen de charges électriques d'électrons circulant dans le système. Spintronique, pressenti pour être le successeur de l'électronique, utilise également des flux d'électrons, mais ne fait pas attention à leur charge électrique, mais de tourner (en d'autres termes :aux propriétés magnétiques). Dans le contexte de ces deux domaines, magnonics se distingue fondamentalement. Il n'y a pas de flux organisés de médias dans les dispositifs magnéniques. Ce qui circule dans le système, ce sont des ondes magnétiques.

Les différences entre ces domaines sont plus facilement comprises par une analogie avec le monde du sport. Quand un stade se remplit ou se vide, des flots de personnes y coulent. Si l'électronique fonctionnait ici, il ferait attention au nombre de personnes entrant et sortant du stade. La spintronique observerait aussi le mouvement des personnes, mais il s'intéresserait aux déplacements des personnes aux cheveux clairs ou foncés. Dans cette analogie, Magnonics s'occuperait du flux... des vagues mexicaines. Des vagues comme celle-ci peuvent entourer tout le stade malgré le fait qu'aucun fan ne s'éloigne de son siège.

Les physiciens de Cracovie ont produit leurs cristaux magnoniques en utilisant la méthode inventée par le professeur Michael Giersig de la Freie Universität Berlin et développée à l'IFJ PAN par le Dr Krupinski. La première étape consiste à appliquer des nanoparticules de polystyrène sur un substrat non magnétique (par exemple du silicium). Les sphères s'auto-organisent et peuvent le faire de différentes manières selon les conditions. Le substrat recouvert de sphères organisées est ensuite soumis à l'action d'un plasma dans une enceinte à vide, ce qui permet de réduire le diamètre des sphères de manière contrôlée. De fines couches de métaux appropriés sont ensuite appliquées sur l'échantillon ainsi préparé, l'un après l'autre. Une fois toutes les couches appliquées, le matériau est lavé avec des solvants organiques pour éliminer les sphères. Le résultat final est une structure périodique ressemblant à un tamis plus ou moins dense, collé en permanence sur un substrat de silicium (il n'a peut-être pas besoin d'être rigide, l'équipe de la FIJ PAN peut également former des structures similaires, par ex. sur des substrats polymères souples).

« Les systèmes que nous avons étudiés étaient constitués de 20 couches alternées de cobalt et de palladium. Ce sont des structures très fines. Leur épaisseur n'est que de 12 nanomètres, ce qui correspond à environ 120 atomes, " dit le Dr Krupinski.

Selon la taille des trous, des zones plus ou moins grandes avec des formes similaires à un triangle sont formées entre leurs points de contact. Les atomes à l'intérieur de ces zones peuvent être magnétisés de la même manière en formant des bulles magnétiques. Ces bulles peuvent être utilisées pour stocker des informations, et les changements dans leur magnétisation permettent la propagation des ondes magnétiques dans le système.

Le modèle théorique, construit à l'IFJ PAN sous la direction du Dr. Pawel Sobieszczyk, décrit des phénomènes magnétiques se produisant dans des cristaux de dimensions de deux sur deux micromètres. A l'échelle du micromonde, ces dimensions sont énormes :le nombre d'atomes est si grand qu'il n'est plus possible de simuler le comportement d'atomes isolés. Cependant, en raison de l'interaction magnétique mutuelle, les moments magnétiques des atomes adjacents sont généralement orientés dans presque la même direction. Cette observation a permis de regrouper les atomes en petits volumes (voxels), qui pourraient être traités comme des objets uniques. Cette procédure a radicalement réduit la complexité de calcul du modèle et a permis de réaliser des simulations numériques, qui ont été réalisées au Academic Computer Center Cyfronet AGH University of Science and Technology à Cracovie.

"La clé du succès était l'idée d'incorporer dans le modèle les imperfections trouvées dans les vrais cristaux magnétiques, " dit le Dr Sobieszczyk et énumère :" Tout d'abord, les structures réelles ne sont jamais des cristaux parfaits. Ce sont généralement des amas de nombreux cristaux appelés cristallites. Selon la taille et la forme, les cristallites peuvent avoir différentes propriétés magnétiques. De plus, des contaminants chimiques peuvent apparaître dans le système. Ils font perdre à certaines zones du matériau leurs propriétés magnétiques. Finalement, les couches métalliques individuelles peuvent être plus épaisses ou plus minces par endroits. Notre modèle fonctionne si précisément parce qu'il prend en compte tous ces effets."

Le modèle présenté ici prédit l'existence d'un phénomène jusqu'alors inobservé. Lorsque deux bulles adjacentes sont magnétisées en sens inverse, les moments magnétiques des atomes entre eux peuvent changer d'orientation soit en tournant parallèlement au plan de la couche, soit perpendiculairement. Une sorte de mur se crée alors entre les bulles, dans le premier cas appelé mur de Bloch, dans le second, un mur de Néel. Jusqu'à maintenant, on supposait que seules des parois d'un même type pouvaient être trouvées dans un cristal magnonique donné. Le modèle développé par les physiciens de l'IFJ PAN suggère que les deux types de parois magnétiques peuvent apparaître dans le même cristal.

Magnonics ne fait que commencer. La voie vers des processeurs complexes—plus petits, plus rapide, et avec une structure logique reprogrammable selon les besoins, c'est encore loin. Les mémoires magnéniques et les capteurs innovants capables de détecter de petites quantités de substances semblent plus réalistes. Comprendre les mécanismes responsables des propriétés magnétiques des cristaux magnéniques et la façon dont les ondes magnétiques circulent nous rapproche de ces types d'appareils. Ceci est une étape importante, après quoi les prochains viendront sûrement.