L’éclipse du silicium : l’émergence des technologies informatiques basées sur Magnon

Une étude récente a fait progresser la compréhension de la magnonique en montrant comment les magnons peuvent interagir de manière non linéaire, marquant ainsi une étape cruciale vers des technologies informatiques plus rapides et plus stables.

• Si les ordinateurs utilisaient des ondulations dans des champs magnétiques, appelés magnons, pour coder et traiter les informations, il en résulterait des appareils dont la vitesse de mémoire potentielle serait de l’ordre du milliardième de seconde.
• UCLA les chercheurs et leurs partenaires ont fait interagir deux types distincts de magnons de sorte que la sortie n’est pas directement proportionnelle à l’entrée – une étape cruciale vers les progrès informatiques.
• Cette collaboration de recherche multi-institutionnelle à long terme étudie les magnons à l’aide d’une technologie laser térahertz rarement utilisée mais prometteuse.

Explorer l’avenir de l’informatique avec Magnons

Une vision de l’avenir de l’informatique consiste à utiliser les ondulations des champs magnétiques – appelées magnons – comme mécanisme de base. Dans cette application, les magnons seraient comparables à l’électricité comme base de l’électronique.

Dans les technologies numériques conventionnelles, ces systèmes magnoniques devraient être beaucoup plus rapides que les technologies actuelles, des ordinateurs portables et smartphones aux télécommunications. Dans l’informatique quantiqueles avantages des magnoniques pourraient inclure non seulement des vitesses plus rapides, mais également des appareils plus stables.

Une étude récente⁽¹⁾ dans la revue Physique naturelle rapporte une découverte précoce sur la voie du développement d’ordinateurs magnoniques. Les chercheurs ont provoqué deux types distincts d’ondulations dans le champ magnétique d’une fine plaque de alliage, a mesuré les résultats et a montré que les magnons interagissaient de manière non linéaire. « Non linéaire » fait référence à une sortie qui n’est pas directement proportionnelle à l’entrée – une nécessité pour tout type d’application informatique.

Jusqu’à présent, la plupart des recherches dans ce domaine se sont concentrées sur un type de magnon à la fois, dans des conditions relativement stables décrites comme l’équilibre. La manipulation des magnons, comme cela se fait dans ces études, déséquilibre le système.

Faire progresser la physique hors équilibre

Il s’agit de l’une des nombreuses recherches en cours dans le cadre d’une collaboration pluriannuelle entre théoriciens et expérimentateurs de plusieurs domaines scientifiques et techniques, dont une deuxième étude.⁽²⁾ qui est apparu récemment dans Physique naturelle. Le projet, soutenu par des bailleurs de fonds gouvernementaux et privés, rassemble des chercheurs de l’UCLA, MITl’Université du Texas à Austin et l’Université de Tokyo au Japon.

« Avec nos collègues, nous avons lancé ce que j’appellerais une campagne visant à stimuler les progrès en physique hors équilibre », a déclaré Prineha Narang, co-auteur de l’étude et professeur de sciences physiques à l’UCLA College. « Ce que nous avons fait ici fait progresser fondamentalement la compréhension des phénomènes hors équilibre et non linéaires. Et cela pourrait être un pas vers la mémoire informatique utilisant des phénomènes ultrarapides qui se produisent de l’ordre du milliardième de seconde. »

L’une des technologies clés à l’origine de ces découvertes est une technique avancée permettant d’ajouter de l’énergie et d’évaluer des échantillons à l’aide de lasers dont les fréquences se situent dans la gamme des térahertz, qui se situe entre les longueurs d’onde des micro-ondes et du rayonnement infrarouge. Issue de la chimie et de l’imagerie médicale, cette méthode n’est que rarement appliquée à l’étude des champs magnétiques.

Selon Narang, membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA, l’utilisation de lasers térahertz suggère une synergie potentielle avec une technologie en pleine maturité.

« La technologie Terahertz elle-même a atteint le point où l’on peut parler d’une deuxième technologie qui en dépend », a-t-elle déclaré. « Il est logique d’effectuer ce type de contrôle non linéaire dans une bande où nous disposons de lasers et de détecteurs pouvant être placés sur une puce. Il est maintenant temps d’aller vraiment de l’avant car nous disposons à la fois de la technologie et d’un cadre théorique intéressant pour étudier les interactions entre magnons.

Dévoilement des interactions non linéaires dans la magnonique

Les chercheurs ont appliqué des impulsions laser sur une plaque de 2 millimètres d’épaisseur fabriquée à partir d’un alliage soigneusement choisi contenant de l’yttrium, un métal présent dans la technologie des LED et des radars. Dans certaines expériences, un deuxième laser térahertz a été utilisé de manière coordonnée, ce qui a paradoxalement ajouté de l’énergie mais a contribué à stabiliser les échantillons.

Un champ magnétique a été appliqué à l’yttrium d’une manière spécifique qui ne permettait que deux types de magnon. Les enquêteurs ont pu piloter l’un ou l’autre type de magnon individuellement ou les deux en même temps en faisant tourner l’échantillon selon certains angles par rapport aux lasers. Ils ont pu mesurer les interactions entre les deux types et ont découvert qu’elles pouvaient provoquer des réponses non linéaires.

« Il serait important de démontrer clairement cette interaction non linéaire pour tout type d’application basée sur le traitement du signal », a déclaré le co-auteur Jonathan Curtis, chercheur postdoctoral à l’UCLA au NarangLab. « Mélanger des signaux comme celui-ci pourrait nous permettre de convertir entre différentes entrées et sorties magnétiques, ce dont vous avez besoin pour un appareil qui repose sur la manipulation magnétique des informations. »

Narang a déclaré que les stagiaires sont essentiels à l’étude en cours, ainsi qu’au projet plus vaste.

« Il s’agit d’un projet très difficile qui s’étale sur plusieurs années et qui comporte de nombreux éléments », a-t-elle déclaré. « Quel est le bon système et comment pouvons-nous l’utiliser ? Comment pensons-nous faire des prédictions ? Comment pouvons-nous limiter le système pour qu’il se comporte comme nous le souhaitons ? Nous ne pourrions pas y parvenir sans des étudiants et des postdoctorants talentueux.

Pour en savoir plus sur cette recherche, consultez Comment la lumière invisible façonne l’avenir de l’informatique à grande vitesse.

1. « 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
2. « 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

L’étude comprend le professeur de chimie du MIT Keith Nelson et le professeur de physique de l’UT Austin Edoardo Baldini, ainsi que l’équipe de l’UCLA dirigée par Narang, qui a été soutenue par le Quantum Science Center, un centre national de recherche sur les sciences de l’information quantique du ministère de l’Énergie dont le siège est au laboratoire national d’Oak Ridge. . L’étude a été principalement soutenue par le ministère de l’Énergie ainsi que par la Fondation Alexander von Humboldt, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fondation commémorative John Simon Guggenheim et la Société japonaise pour la promotion de la science, qui fournissent toutes un soutien continu à l’étude. collaboration.