La technologie informatique actuelle à base de silicium est peu énergivore. Les technologies de l'information et des communications devraient utiliser plus de 20 % de la production mondiale d'électricité d'ici 2030. Trouver des moyens de décarboner la technologie est donc un objectif évident pour les économies d'énergie. Le professeur Paolo Radaelli du Département de physique d'Oxford, travailler avec Diamond Light Source, le synchrotron national du Royaume-Uni, mène des recherches sur des alternatives plus efficaces au silicium. Les découvertes surprenantes de son groupe sont publiées dans La nature dans un article intitulé "Demi-skyrmions et bimères antiferromagnétiques à température ambiante". Certaines des textures antiferromagnétiques qu'ils ont trouvées pourraient devenir des candidats de choix pour la spintronique antiferromagnétique de basse énergie à température ambiante.

Les chercheurs travaillent depuis longtemps sur des technologies alternatives au silicium. Les oxydes de métaux communs tels que le fer et le cuivre sont des cibles naturelles car ils sont déjà une technologie de base, présent dans les ordinateurs à base de silicium, ce qui signifie qu'il y a de fortes chances de compatibilité entre les deux technologies. Bien que les oxydes soient parfaits pour stocker des informations, ils ne sont pas doués pour déplacer l'information, une nécessité pour le calcul. Cependant, une propriété des oxydes qui a émergé est que beaucoup sont magnétiques, ce qui signifie qu'il pourrait être possible de déplacer des bits magnétiques, à la fois dans les oxydes et dans d'autres aimants, avec très peu d'énergie nécessaire.

Le professeur Radaelli dit :"Les types de bits dont nous parlons doivent être vraiment minuscules - 10 nanomètres est le chiffre cible typique - et doivent être robustes même lorsqu'ils sont" secoués et agités ". C'est très difficile, car le risque qu'ils soient simplement dissipés est très élevé lorsque le foret est si petit. Une solution possible est venue de la plus improbable des directions :un curieux parallèle entre la physique du solide et la cosmologie. En réalité, l'inspiration pour ce projet a été définie sous la forme d'un défi :peut-on reproduire des cordes cosmiques dans un aimant ?"

L'utilisation par les équipes de la ligne de lumière Nanoscience de Diamond et du microscope électronique à photoémission (PEEM) était essentielle pour obtenir des réponses. Il combine une résolution spatiale élevée avec une densité de flux élevée pour résoudre des nanostructures à des échelles nanométriques. A travers le PEEM, la ligne de lumière Nanoscience peut résoudre des nanoparticules d'un diamètre inférieur à 20 nm à l'aide de rayons X mous polarisés.

Les cordes cosmiques sont censées être des filaments dans l'espace, beaucoup plus mince qu'un atome mais potentiellement aussi longue que la distance entre les étoiles. Certaines théories cosmologiques prédisent qu'elles auraient pu se former dans les instants qui ont suivi le Big Bang alors que l'univers se refroidissait rapidement. Bien que les chercheurs débattent encore de leur existence, une théorie suggère qu'une fois formé, les cordes cosmiques seraient stables et ne "s'évaporeraient pas, " afin que les astronomes puissent les découvrir à l'avenir. La pertinence des cordes cosmiques et des ordinateurs est que la description mathématique des cordes cosmiques est assez simple. Le même genre de conditions mathématiques qui favorisent les formations de cordes peut être trouvée dans beaucoup d'autres systèmes physiques, y compris les aimants.

Le professeur Radaelli dit :« C'est la beauté de la physique :les équations mathématiques décrivant le « macrocosme » à l'échelle du parsec peuvent également fonctionner dans le microcosme à l'échelle du nanomètre. Avec le défi défini, il ne restait plus qu'à trouver un aimant approprié. Encore une fois, le candidat s'est avéré le plus improbable :la rouille commune."

Oxyde de fer (formule chimique Fe 2 O 3 ) est un constituant principal de la rouille. Chaque atome de fer agit comme une minuscule boussole, mais cette forme particulière de Fe 2 O 3 n'est pas magnétique au sens ordinaire d'attirer et d'être attiré par d'autres aimants :c'est un antiferromagnétique, de sorte que la moitié des boussoles Fe pointe vers le nord et l'autre moitié vers le sud.

Il y a deux ans, travaillant chez Diamond sur des échantillons produits à l'Université du Wisconsin, Madison, Le groupe d'Oxford de Radaelli a découvert l'équivalent magnétique des cordes cosmiques dans Fe 2 O 3 , et les a imagés à l'aide d'un puissant microscope à rayons X. Ces petits objets, connu sous le nom de mérons, sont des tourbillons magnétiques dans lesquels l'aiguille de la boussole tourne (NESW ou NWSE) lorsque l'on passe d'un atome à l'autre dans une boucle à l'échelle nanométrique.

"Avec le recul, trouver des mérons magnétiques était un énorme coup de chance, car on sait qu'elles sont très difficiles à stabiliser dans les conditions utilisées pour cette première expérience. Pour l'article publié aujourd'hui, nous avons étendu notre collaboration à l'Université nationale de Singapour et avons réussi à trouver la clé pour créer et détruire des merons magnétiques à volonté, exploitant l'équivalent mathématique du « Big Bang Cooling, '", ajoute Radaelli.

L'équipe pense qu'il existe de bonnes perspectives d'utilisation de la « rouille » pour créer des ordinateurs ultra-efficaces. C'est parce que bien que très simple dans l'architecture, le Fe 2 O 3 Un appareil à base de mérons et de bimérons contient déjà tous les ingrédients pour manipuler ces minuscules morceaux rapidement et efficacement, en faisant circuler un petit courant électrique dans un « pardessus » métallique extrêmement fin. » En fait, selon l'équipe, contrôler et observer le mouvement des mérons et bimérons en temps réel est l'objectif d'une future expérience de microscopie à rayons X actuellement en phase de planification.

Passer de la recherche fondamentale à la recherche appliquée signifie que les considérations de coût et de compatibilité sont d'une importance primordiale. Alors que l'oxyde de fer est extrêmement abondant et bon marché, les techniques de fabrication employées par les chercheurs de Singapour et de Madison sont complexes et nécessitent un contrôle à l'échelle atomique. Cependant, les chercheurs sont optimistes, comme ils ont récemment démontré qu'il est possible de décoller une fine couche d'oxyde de son milieu de croissance et de la coller presque n'importe où, tout en laissant ses propriétés largement inchangées. Ils disent que leurs prochaines étapes seront la conception et la fabrication de dispositifs de preuve de principe basés sur des cordes cosmiques.