Les ordinateurs d'aujourd'hui stockent les informations sur des disques durs magnétiques, protégeant ainsi les fichiers même lorsque l'appareil est éteint. Mais pour exécuter des programmes et traiter des informations, les ordinateurs dépendent de l’électricité. Chaque calcul nécessite un transfert d'informations entre les systèmes électriques et magnétiques. Ces allers-retours constituent un goulot d’étranglement majeur dans la vitesse de l’informatique moderne.
Les appareils intégrant des composants magnétiques directement dans la logique informatique supprimeraient cette limitation et permettraient aux ordinateurs de fonctionner plus rapidement et plus efficacement.
Une nouvelle étude théorique menée par des ingénieurs de l’Université du Delaware révèle que les magnons, un type d’onde de spin magnétique, peuvent produire des signaux électriques détectables. Les résultats, publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesmettent en évidence les moyens potentiels de contrôler et de manipuler les magnons avec des champs électriques et suggèrent une voie vers l'intégration de composants électriques et magnétiques pour permettre les technologies informatiques de nouvelle génération.
Comment les ondes magnétiques transportent des informations
Le magnétisme provient des électrons, de minuscules particules en orbite autour du noyau d'un atome. Chaque électron possède une propriété appelée spin, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Dans un ferromagnétique en fer standard, tous les spins pointent dans la même direction, créant un champ magnétique.
« Imaginez qu'il y ait un ressort reliant toutes ces rotations. Si je dévie une rotation, c'est comme si je tirais sur le ressort. La rotation suivante dévie, puis la suivante, puis la suivante », a déclaré l'auteur principal Matthew Doty, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux au College of Engineering de l'UD. « Vous pouvez le considérer comme un slinky : étirez-le et donnez-lui une contraction, et une onde se propage le long de la bobine. Un magnon est exactement comme ça : une vague. »
Dans les puces informatiques d'aujourd'hui, les électrons chargés circulent dans les fils, générant une résistance et perdant beaucoup d'énergie sous forme de chaleur. Parce que les magnons transmettent des informations via l'orientation des spins, sans déplacer aucune charge électrique, ils ne rencontrent pas de résistance et gaspillent beaucoup moins d'énergie.
La nouvelle étude s'est concentrée sur les matériaux antiferromagnétiques, dans lesquels les spins alternent de haut en bas. Ces matériaux sont attrayants pour les applications informatiques, car les magnons des antiferromagnétiques peuvent se propager à des fréquences térahertz, environ mille fois plus rapides que la vitesse des magnons des ferromagnétiques. Mais comme le spin global des matériaux antiferromagnétiques est nul, les magnons antiferromagnétiques sont extrêmement difficiles à détecter et à manipuler.
Un chemin pour détecter et manipuler les magnons
Le chercheur postdoctoral CHARM, D. Quang To, et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques pour explorer le comportement des magnons dans les matériaux antiferromagnétiques. À leur grande surprise, les calculs ont révélé que le mouvement des magnons peut générer des signaux électriques.
« Les résultats prédisent que nous pouvons détecter les magnons en mesurant la polarisation électrique qu'ils créent », a déclaré Doty. « Encore plus excitante est la possibilité que nous puissions utiliser des champs électriques externes, y compris ceux de la lumière, pour contrôler le mouvement des magnons. Les futurs appareils qui remplaceraient les fils conventionnels par des canaux magnon pourraient envoyer des informations beaucoup plus rapidement et avec beaucoup moins d'énergie gaspillée. »
L’équipe a commencé par analyser ce qui se passe lorsqu’un côté d’un matériau est plus chaud que l’autre, provoquant le passage des magnons du chaud au froid. Ils ont notamment cherché à comprendre les conséquences du moment angulaire orbital des magnons, un mouvement circulaire des ondes magnétiques distinct de leur mouvement vers l'avant.
« Nous avons développé un cadre mathématique pour comprendre comment le moment angulaire orbital contribue au transport des magnons », a déclaré To, le premier auteur de l'article. « Nous avons découvert que lorsque le moment angulaire orbital du magnon interagit avec les atomes du matériau, il produit une polarisation électrique. »
En d’autres termes, le déplacement de magnons antiferromagnétiques peut générer une tension mesurable.
« Notre cadre fournit un outil puissant qui permettra à la communauté des chercheurs de prédire et de manipuler le comportement des magnons », a déclaré To.
L'équipe UD a commencé des expériences pour vérifier les effets prédits. Ils prévoient également d’explorer la manière dont les magnons interagissent avec la lumière afin de déterminer si le moment angulaire orbital de la lumière peut être utilisé pour contrôler le transport ou la détection des magnons.
