Des chercheurs de l'EPFL ont montré que les ondes électromagnétiques couplées à des structures conçues avec précision, appelées quasicristaux ferromagnétiques artificiels, permettent une transmission et un traitement plus efficaces de l'information à l'échelle nanométrique. Leurs recherches représentent également la première démonstration pratique des vers Conway, un concept théorique pour la description des quasicristaux.

Les ondes électromagnétiques à haute fréquence sont utilisées pour transmettre et traiter des informations dans des appareils microélectroniques tels que les smartphones. On sait déjà que ces ondes peuvent être compressées à l'aide d'oscillations magnétiques appelées ondes de spin ou magnons. Cette compression pourrait ouvrir la voie à la conception d'échelles nanométriques, appareils à micro-ondes multifonctionnels avec un encombrement considérablement réduit. Mais d'abord, les scientifiques doivent mieux comprendre les ondes de spin, ou précisément comment les magnons se comportent et se propagent dans différentes structures.

En savoir plus sur les structures apériodiques

Dans une étude menée par l'assistant-doctorant Sho Watanabe, chercheur postdoctoral Dr Vinayak Bhat, et d'autres membres de l'équipe, les scientifiques du Laboratoire de matériaux magnétiques et magnétiques à l'échelle nanométrique (LMGN) de l'EPFL ont examiné la propagation des ondes électromagnétiques, et comment ils pourraient être manipulés, dans des nanostructures conçues avec précision connues sous le nom de quasicristaux ferromagnétiques artificiels. Les quasicristaux ont une propriété unique :leur structure est apériodique, ce qui signifie que leurs atomes constitutifs ou éléments sur mesure ne suivent pas une régularité, motif répétitif mais sont toujours arrangés de manière déterministe. Bien que cette caractéristique rende les matériaux particulièrement utiles pour la conception d'appareils du quotidien et de haute technologie, il reste mal compris.

Plus rapide, transmission plus facile des informations

L'équipe du LMGN a constaté que, dans des conditions contrôlées, une seule onde électromagnétique couplée à un quasicristal artificiel se scinde en plusieurs ondes de spin, qui se propagent ensuite au sein de la structure. Chacune de ces ondes de spin représente une phase différente de l'onde électromagnétique d'origine, porteur d'informations différentes. "C'est une découverte très intéressante, parce que les méthodes de transmission d'informations existantes suivent le même principe, " dit Dirk Grundler, professeur associé à la School of Engineering (STI) de l'EPFL. "Sauf si vous avez besoin d'un appareil supplémentaire, un multiplexeur, pour diviser le signal d'entrée parce que, contrairement à notre étude, il ne se divise pas tout seul."

Grundler explique également que, dans les systèmes conventionnels, les informations contenues dans chaque onde ne peuvent être lues qu'à des fréquences différentes, un autre inconvénient que l'équipe de l'EPFL a surmonté dans son étude. "Dans nos quasicristaux bidimensionnels, toutes les ondes peuvent être lues à la même fréquence, " ajoute-t-il. Les résultats ont été publiés dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

Des vagues qui se propagent comme des vers

Les chercheurs ont également observé que, plutôt que de se propager au hasard, les vagues se déplaçaient souvent comme des vers de Conway, nommé d'après un mathématicien bien connu John Horton Conway qui a également développé un modèle pour décrire le comportement et les modes d'alimentation des vers préhistoriques. Conway a découvert que, au sein de quasicristaux bidimensionnels, les éléments constitutifs s'arrangent comme des vers sinueux suivant une séquence de Fibonacci. Ils forment ainsi des quasi-cristaux unidimensionnels sélectionnés. « Notre étude représente la première démonstration pratique de ce concept théorique, prouver que les séquences induisent des propriétés fonctionnelles intéressantes des ondes dans un quasicristal, " dit Grundler.