Cette illustration montre qu’une paire d’impulsions laser THz intenses génère des ondes de spin dans un matériau antiferromagnétique, qui émettent des émissions non linéaires aux fréquences somme et différence. Crédit : Illustration avec l’aimable autorisation des chercheurs de l’Université du Texas à Austin et du MIT
Une nouvelle méthode ultrarapide de contrôle des matériaux magnétiques pourrait permettre l’émergence de technologies de traitement de l’information de nouvelle génération.
Alors que la demande en ressources informatiques continue d’augmenter rapidement, les scientifiques et les ingénieurs recherchent des moyens de construire des systèmes plus rapides pour traiter l’information. Une solution possible consiste à utiliser des modèles de spins électroniques, appelés ondes de spin, pour transférer et traiter les informations beaucoup plus rapidement que dans les ordinateurs conventionnels. Jusqu’à présent, un défi majeur a été de manipuler ces ondes de spin ultrarapides pour effectuer un travail utile.
Percée dans la manipulation des ondes de spin
Dans le cadre d’un grand pas en avant, des chercheurs de l’Université du Texas à Austin et MIT ont développé une méthode pionnière pour manipuler avec précision ces ondes de spin ultrarapides à l’aide d’impulsions lumineuses personnalisées. Leurs conclusions sont détaillées dans deux études Physique naturelledirigé par Zhuquan Zhang, étudiant diplômé du MIT, Frank Gao, chercheur postdoctoral à l’Université du Texas à Austin, Keith Nelson, professeur de chimie au MIT, et Edoardo Baldini, professeur adjoint de physique à l’UT Austin.
Enregistrement de données magnétiques et ondes de spin
Un élément clé de nos smartphones, d’Internet et du cloud computing est la technologie d’enregistrement de données magnétiques permettant de stocker et de récupérer de grandes quantités d’informations. Cette technologie repose sur la manipulation des états de spin magnétique (haut et bas) dans les matériaux ferromagnétiques, représentant les bits binaires « 0 » et « 1 ». Ces spins sont de minuscules aimants dont l’alignement détermine les propriétés magnétiques du matériau.
Lorsque les chercheurs frappent un ensemble d’atomes dans ces matériaux avec de la lumière, leurs spins vacillent selon un motif qui se propage à travers les atomes voisins comme des vagues sur un étang lorsqu’une pierre tombe dedans. Il s’agit d’une onde de spin.
Antiferromagnétiques et traitement à grande vitesse
Contrairement à ces matériaux de stockage de données conventionnels, une classe spéciale de matériaux magnétiques appelés antiferromagnétiques présente des spins alignés dans des directions opposées. Les ondes de spin dans ces matériaux sont généralement beaucoup plus rapides que leurs homologues dans les ferromagnétiques et recèlent donc un potentiel pour les futures architectures de traitement de l’information à grande vitesse.
Les chercheurs ont expérimenté un antiferromagnétique appelé orthoferrite. Ce matériau héberge une paire d’ondes de spin distinctes qui ne communiquent généralement pas entre elles. En utilisant la lumière térahertz (THz), invisible à l’œil humain aux fréquences infrarouges extrêmes, les chercheurs ont réussi à faire interagir ces ondes de spin.
Dans un seul article,(1) ils ont montré que l’utilisation de champs THz intenses pour exciter une onde de spin à une certaine fréquence peut déclencher une autre onde de spin à une fréquence plus élevée, un peu comme les harmoniques qui apparaissent naturellement lorsqu’une corde de guitare est pincée.
Découvertes et implications technologiques
« Cela nous a vraiment surpris », a déclaré Zhang. « Cela signifiait que nous pouvions contrôler de manière non linéaire le flux d’énergie au sein de ces systèmes magnétiques. »
Dans l’autre article,(2) ils ont découvert que l’excitation de deux ondes de spin différentes peut donner naissance à une nouvelle onde de spin hybride. Baldini a déclaré que c’était particulièrement intéressant car cela pourrait aider à faire passer la technologie de la spintronique à un nouveau domaine appelé magnonique. En spintronique, l’information est transportée dans le spin des électrons individuels. En magnonique, les informations sont transportées dans des ondes de spin (également appelées magnons).
« Ici, contrairement à la spintronique, vous utilisez ce type collectif d’ondes de spin qui impliquent simultanément de très nombreux spins d’électrons », a déclaré Baldini. « Cela peut vous conduire à des délais extrêmement rapides qui ne sont pas accessibles en spintronique et également déplacer les informations de manière plus efficace. »
Développement avancé d’un spectromètre et de techniques
Pour mener à bien ce travail révolutionnaire, les chercheurs ont développé un spectromètre sophistiqué pour découvrir le couplage mutuel entre des ondes de spin distinctes et révéler leurs symétries sous-jacentes.
« Contrairement à la lumière visible qui peut être facilement vue à l’œil nu, la lumière THz est difficile à détecter », a déclaré Gao. « Ces expériences seraient autrement impossibles sans le développement de la technique, qui nous a permis de mesurer les signaux THz avec une seule impulsion lumineuse. »
- « Conversion ascendante de magnon pilotée par champ térahertz dans un antiferromagnétique » par Zhuquan Zhang, Frank Y. Gao, Yu-Che Chien, Zi-Jie Liu, Jonathan B. Curtis, Eric R. Sung, Xiaoxuan Ma, Wei Ren, Shixun Cao, Prineha Narang, Alexander von Hoegen, Edoardo Baldini et Keith A. Nelson, 23 janvier 2024, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-023-02350-7 - « Couplage non linéaire induit par un champ térahertz de deux modes magnon dans un antiferromagnétique » par Zhuquan Zhang, Frank Y. Gao, Jonathan B. Curtis, Zi-Jie Liu, Yu-Che Chien, Alexander von Hoegen, Man Tou Wong, Takayuki Kurihara, Tohru Suemoto, Prineha Narang, Edoardo Baldini et Keith A. Nelson, 31 janvier 2024, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-024-02386-3
Ce travail a été principalement soutenu par l’Office of Basic Energy Sciences du Département américain de l’Énergie, la Fondation Robert A. Welch et le Bureau de recherche de l’armée américaine.
