Nos appareils électroniques ne peuvent plus rétrécir et sont au bord de la surchauffe. Mais dans une nouvelle découverte de l’Université de Copenhague, des chercheurs ont mis au jour une propriété fondamentale du magnétisme, qui pourrait devenir pertinente pour le développement d’une nouvelle génération d’ordinateurs plus puissants et moins chauds.
La miniaturisation en cours des composants des ordinateurs dont les électrons sont les vecteurs du transfert d’informations est devenue un défi. Au lieu de cela, il serait possible d’utiliser le magnétisme et de poursuivre ainsi le développement d’ordinateurs à la fois moins chers et plus puissants. C’est l’une des perspectives qu’ouvrent les scientifiques de l’Institut Niels Bohr (NBI) de l’Université de Copenhague, qui publient une nouvelle découverte dans la prestigieuse revue Nature Communications.
« La fonction d’un ordinateur consiste à envoyer du courant électrique à travers une micro-puce. Bien que la quantité soit minuscule, le courant ne se contente pas de transporter des informations mais contribue également à chauffer la puce. Lorsque vous avez un très grand nombre de composants serrés les uns contre les autres, la chaleur devient un problème. C’est l’une des raisons pour lesquelles nous avons atteint la limite de la réduction des composants. Un ordinateur basé sur le magnétisme éviterait le problème de la surchauffe« , explique le professeur Kim Lefmann, spécialiste de la physique de la matière condensée à l’INB.
« Notre découverte n’est pas une recette directe pour fabriquer un ordinateur basé sur le magnétisme. Nous avons plutôt mis en évidence une propriété magnétique fondamentale qu’il faut contrôler, si l’on veut concevoir un tel ordinateur.«
La mécanique quantique stoppe l’accélération
Pour comprendre cette découverte, il faut savoir que les matériaux magnétiques ne sont pas nécessairement orientés uniformément. En d’autres termes, des zones comportant des pôles nord et sud magnétiques peuvent exister côte à côte. Ces zones sont appelées domaines, et la frontière entre un domaine de pôle nord et un domaine de pôle sud est le mur du domaine. Bien que la paroi du domaine ne soit pas un objet physique, elle possède néanmoins plusieurs propriétés semblables à celles des particules. Il est donc un exemple de ce que les physiciens appellent des quasi-particules, c’est-à-dire des phénomènes virtuels qui ressemblent à des particules.
« Il est bien établi que l’on peut déplacer la position de la paroi du domaine en appliquant un champ magnétique. Au départ, le mur réagira de la même manière qu’un objet physique soumis à la gravité et qui accélère jusqu’à ce qu’il heurte la surface en dessous. Cependant, d’autres lois s’appliquent au monde quantique », explique Kim Lefmann.
« Au niveau quantique, les particules ne sont pas seulement des objets, elles sont aussi des ondes. Cela s’applique également à une quasi-particule telle qu’un mur de domaine. Les propriétés ondulatoires impliquent que l’accélération est ralentie lorsque la paroi interagit avec les atomes de l’environnement. Bientôt, l’accélération s’arrêtera totalement, et la position de la paroi commencera à osciller. »
L’hypothèse suisse a inspiré
Un phénomène similaire est observé pour les électrons. Ici, il est connu sous le nom d’oscillations de Bloch, du nom du physicien américano-suisse et lauréat du prix Nobel Felix Bloch qui l’a découvert en 1929. En 1996, des physiciens théoriciens suisses ont suggéré qu’un parallèle avec les oscillations de Bloch pourrait exister dans le magnétisme. Aujourd’hui – un peu plus d’un quart de siècle plus tard – Kim Lefmann et ses collègues ont réussi à confirmer cette hypothèse. L’équipe de recherche a étudié le mouvement des parois de domaine dans le matériau magnétique CoCl2 ∙ 2D2O.
« Nous savions depuis longtemps, qu’il serait possible de vérifier l’hypothèse, mais nous comprenions aussi que cela nécessiterait l’accès à des sources de neutrons. De manière unique, les neutrons réagissent aux champs magnétiques bien qu’ils ne soient pas chargés électriquement. Cela les rend idéaux pour les études magnétiques », raconte Kim Lefmann.
Un coup de pouce pour la recherche en magnétisme
Les sources de neutrons sont des instruments scientifiques de grande envergure. Dans le monde, il n’existe qu’une vingtaine d’installations et la concurrence pour le temps de faisceau est féroce. Ce n’est donc que maintenant que l’équipe a réussi à obtenir suffisamment de données pour satisfaire les éditeurs de Nature Communications.
« Nous avons eu du temps de faisceau respectivement au NIST aux États-Unis et à l’ILL en France. Heureusement, les conditions de la recherche magnétique vont s’améliorer considérablement lorsque l’ESS (European Spallation Source, ndlr) deviendra opérationnel à Lund, en Suède. Non seulement nos chances d’obtenir du temps de faisceau seront meilleures, puisque le Danemark est copropriétaire de l’installation. La qualité des résultats sera environ 100 fois supérieure, car l’ESS sera une source de neutrons extrêmement puissante », explique Kim Lefmann.
Pour clarifier, il souligne que même si la mécanique quantique est impliquée, un ordinateur basé sur le magnétisme ne serait pas un type d’ordinateur quantique :
« À l’avenir, les ordinateurs quantiques devraient être capables de s’attaquer à des tâches extrêmement compliquées. Mais même dans ce cas, nous aurons toujours besoin d’ordinateurs conventionnels pour les calculs plus ordinaires. C’est là que les ordinateurs basés sur le magnétisme pourraient devenir des alternatives pertinentes car meilleures que les ordinateurs actuels. »
L’article scientifique intitulé « Magnetic Bloch oscillations and domain wall dynamics » est publié dans la prestigieuse revue Nature Communications, le 11 mai 2022.
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