Des milliards de transistors bientôt remplacés par des ondes magnétiques ?

L’informatique quantique et la miniaturisation des composants électroniques connaissent des progrès fulgurants. Une équipe internationale de chercheurs vient de réaliser une découverte majeure, susceptible de transformer radicalement la conception des circuits informatiques du futur.

Une recherche menée conjointement par l’Université de Vienne, l’Institut Max Planck pour les Systèmes Intelligents à Stuttgart, et les Centres Helmholtz à Berlin et Dresde a permis d’accomplir un progrès significatif dans la miniaturisation des dispositifs informatiques et l’amélioration de leur efficacité énergétique. Les résultats de cette étude, publiés dans la prestigieuse revue Science Advances, dévoilent de nouvelles possibilités pour la création de circuits magnoniques reprogrammables.

L’équipe de scientifiques a développé une méthode novatrice pour exciter des ondes de spin par des courants alternatifs et les rediriger à volonté. Cette approche pourrait métamorphoser la conception des futurs dispositifs de calcul, en proposant une alternative aux technologies actuelles basées sur les semi-conducteurs.

Les enjeux de la miniaturisation des processeurs modernes

Les unités centrales de traitement (CPU) intégrées dans nos ordinateurs portables, ordinateurs de bureau et même nos téléphones utilisent des milliards de transistors reposant sur la technologie des semi-conducteurs complémentaires à oxyde métallique (CMOS). Cependant, la miniaturisation croissante de ces dispositifs se heurte à des contraintes physiques qui soulèvent des interrogations quant à leur pérennité.

La consommation élevée d’énergie et les pertes énergétiques associées incitent les chercheurs à explorer des architectures de calcul alternatives. Dans ce contexte, les magnons, quanta des ondes de spin, s’imposent comme des candidats prometteurs pour l’avenir de l’informatique.

Les magnons : une approche pour le transfert d’information

Sabri Koraltan, de l’Université de Vienne et premier auteur de l’étude, a expliqué : « Les ondes de spin peuvent être employées pour transférer de l’énergie et de l’information d’un point à un autre avec des pertes minimales« . Une fois générées, ces ondes de spin sont utilisables dans des dispositifs magnoniques pour effectuer des tâches de calcul classiques et non conventionnelles.

Pour réduire l’empreinte des dispositifs magnoniques, les scientifiques ont dû relever le défi de générer des ondes de spin à courtes longueurs d’onde. Sebastian Wintz, du Helmholtz-Zentrum Berlin et coordinateur du projet de recherche, a précisé : « Les nano-antennes actuelles présentent une efficacité limitée pour générer ces ondes de spin à courte longueur d’onde« .

Une solution ingénieuse pour la génération d’ondes de spin

Les chercheurs autrichiens et allemands ont conçu une solution beaucoup plus simple : le courant électrique circule directement à travers une pile magnétique présentant des motifs magnétiques tourbillonnants. Sabri Koraltan a indiqué : « Nos travaux démontrent qu’en utilisant une géométrie de courant alternatif latéral dans des paires de vortex ferrimagnétiques synthétiques, nous obtenons une émission d’ondes de spin avec une efficacité surpassant les méthodes conventionnelles de plusieurs ordres de grandeur« .

Les systèmes ferrimagnétiques synthétiques affichent des motifs de magnétisation opposés. La couche supérieure présente un vortex tournant dans le sens des aiguilles d’une montre, tandis que la couche inférieure tourne en sens inverse. Ce phénomène permet une excitation efficace du motif de magnétisation grâce aux champs magnétiques générés par les courants alternatifs.

Des observations inédites à l’échelle nanométrique

Sebastian Wintz a ajouté : « Notre microscope à rayons X haute résolution ‘Maxymus’, installé au synchrotron d’électrons BESSY II à Berlin, nous a permis d’observer les ondes de spin prédites à des longueurs d’onde nanométriques et des fréquences de l’ordre du gigahertz« .

L’équipe a également démontré que la direction de ces ondes de spin peut être contrôlée dynamiquement en ajustant simplement l’amplitude du courant appliqué. Sabri Koraltan a conclu : « Cette découverte marque une étape importante vers le développement de dispositifs magnoniques actifs« .

La possibilité de rediriger les ondes de spin à volonté ouvre de nouvelles perspectives pour la création de circuits magnoniques reprogrammables. Cette avancée pourrait conduire à l’élaboration de systèmes informatiques plus adaptables et économes en énergie.

Légende illustration : Ondes de spin cohérentes excitées par des courants alternatifs dans un empilement de trois couches magnétiques simples. Credit: Sabri Koraltan

Article : « Sabri Koraltan et al. « Steerable current-driven emission of spin waves in magnetic vortex pairs » Science Advances 10.39 (2024)- DOI: 10.1126/sciadv.ado8635«