Les chercheurs ont déterminé comment utiliser les magnons – vibrations collectives des spins magnétiques des atomes – pour les technologies d'information de nouvelle génération, y compris les technologies quantiques avec des systèmes magnétiques.
Des disques durs de l'ordinateur qui stockent nos données aux moteurs et moteurs qui entraînent des centrales électriques, le magnétisme est au cœur de nombreuses technologies transformatrices. Les matériaux magnétiques devraient jouer un rôle encore plus important dans les nouvelles technologies à l'horizon: la transmission et le traitement des informations quantiques et le développement d'ordinateurs quantiques.
De nouvelles recherches menées par des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie (DOE) ont développé une approche pour contrôler les propriétés magnétiques collectives des atomes en temps réel et potentiellement les déployer pour les technologies d'information de nouvelle génération. Cette découverte pourrait aider à développer de futurs ordinateurs quantiques, qui peuvent effectuer des tâches qui seraient impossibles en utilisant les ordinateurs d'aujourd'hui, ainsi que des technologies « sur puce » – avec des systèmes magnétiques intégrés sur des puces semi-conductrices, ou « sur puce ».
La percée de l'équipe dirigée par Argonne exploite le fait que chaque atome a sa propre rotation magnétique – comme une aiguille de boussole miniature. Lorsque ces tours se déplacent tous ensemble, ils créent une onde ou une « excitation » appelée magnon. La méthode des chercheurs permet de contrôler les magnons en temps réel, exploitant leur potentiel de traitement de l'information.
« Ces capacités sont essentielles pour faire progresser la communication quantique et l'informatique », a déclaré Yi Li, un scientifique adjoint d'Argonne et un auteur principal de l'étude signalant ces résultats.
Deux articles basés sur la recherche ont été publiés en avril Communications de la nature et NPJ Spintronics.
Pour cette recherche, les scientifiques ont utilisé deux petites sphères magnétiques faites d'un matériau appelé grenat de fer Yttrium. Ils ont connecté les sphères sur une puce avec un résonateur supraconducteur. Cette configuration a permis aux chercheurs d'envoyer et de recevoir des signaux de magnon entre les deux sphères éloignées.
L'équipe a envoyé un seul pouls d'énergie, qui a voyagé entre les deux sphères en synchronisation entre eux. Cette oscillation a montré que l'énergie peut être transférée « de manière cohérente » ou dans un modèle bien compris entre les sphères, un peu comme une conversation téléphonique claire entre deux personnes parlant de loin.
Les chercheurs ont découvert que si deux impulsions d'énergie étaient envoyées par la configuration de la puce magnétique, les impulsions se renforçaient mutuellement ou une impulsion a annulé l'autre, selon le délai entre eux. Ces résultats ont montré que les magnons peuvent interférer les uns avec les autres, similaires à la façon dont les ondes de l'eau peuvent créer des modèles lorsqu'ils se chevauchent.
De plus, l'équipe a constaté que cette propriété d'interférence persiste parce que les deux sphères sont capables de rester magnétiquement «couplées» ou capables de stocker l'énergie des impulsions voyageant entre eux. Ceci est similaire à la façon dont un état quantique peut transférer entre deux qubits – ou des bits quantiques – dans un ordinateur quantique.
De plus, en envoyant plusieurs impulsions d'énergie, les scientifiques ont créé des modèles d'interférence complexes, similaires à l'apparition de la lumière lorsqu'ils sont diffractés en différents faisceaux. Cela montre le potentiel d'opérations de signal et de transmission complexes à l'aide de magnons.
Les résultats de l'équipe ont indiqué que l'excitation magnétique dans leur configuration sur puce a réalisé ce que Li a appelé « une interférence presque parfaite » – une exigence clé pour exploiter le potentiel des magnons dans une variété de contextes. Leur approche pourrait ouvrir de nouvelles façons de traiter l'information à l'aide de Magnons, avec des implications pour le développement d'ordinateurs quantiques et d'autres technologies avancées.
« Ces travaux montrent comment les excitations magnétiques peuvent être transférées à distance et effectuer des opérations d'interférence en temps réel, ce qui profite potentiellement à l'informatique quantique », a déclaré Li. « Bien que le véritable potentiel ne soit pas encore clair, il fournit un modèle prototype pour l'exploration future. »
L'utilisation de matériaux magnétiques pour traiter les informations quantiques pourrait permettre un ordinateur quantique avec des fonctionnalités supplémentaires spécifiques à ces systèmes. Par exemple, les matériaux magnétiques pourraient être utilisés pour construire des isolateurs sur puce qui aident à supprimer le « bruit » quantique et à améliorer la clarté dans un ordinateur quantique. Ils pourraient également convertir les signaux micro-ondes en signaux optiques, ce qui est crucial pour connecter différentes parties d'un système quantique.
« Il y a des défis et des opportunités dans la science des matériaux et la compréhension de la physique. Ce travail concerne la belle physique sur une puce, impliquant des circuits supraconducteurs et des matériaux magnétiques à faible empreinte. Il s'agit d'un travail important », a déclaré Argonne, un autre Valentine Novosad, un scientifique supérieur des matériaux et un autre auteur de l'étude.
Cette nouvelle recherche s'appuie sur les articles précédents publiés en 2019 et 2022 pour explorer davantage comment coupler la magnétisation et la supraconductivité, et comment les magnons dans les sphères grenat de fer Yttrium peuvent être manipulées pour stocker des informations et pour des tâches sophistiquées de traitement des informations.
Les appareils magroniques ont été fabriqués au Centre for Nanoscale Materials, une installation d'utilisateurs de Doe Office of Science à Argonne.
