Des chercheurs de l’Université de technologie de Delft ont réussi à contrôler les ondes de spin sur une puce à l’aide de supraconducteurs, ce qui pourrait changer la donne en matière de technologie économe en énergie et d’informatique quantique.
Les physiciens utilisent des supraconducteurs pour contrôler les ondes de spin sur une puce, ouvrant ainsi la voie aux progrès de la technologie économe en énergie et de l’informatique quantique.
Des physiciens quantiques de l’Université de technologie de Delft ont montré pour la première fois qu’il était possible de contrôler et de manipuler des ondes de spin sur une puce à l’aide de supraconducteurs. Ces minuscules ondes dans les aimants pourraient offrir une alternative à l’électronique dans le futur, intéressante pour les technologies de l’information économes en énergie ou pour les pièces de connexion d’un ordinateur quantique, par exemple. Cette découverte, publiée dans Science, donne principalement aux physiciens un nouvel aperçu de l’interaction entre les aimants et les supraconducteurs.
Substitut économe en énergie
« Les ondes de spin sont des ondes présentes dans un matériau magnétique que nous pouvons utiliser pour transmettre des informations », explique Michael Borst, qui a dirigé l’expérience. « Les ondes de spin pouvant constituer un élément de base prometteur pour un remplacement économe en énergie de l’électronique, les scientifiques recherchent depuis des années un moyen efficace de contrôler et de manipuler les ondes de spin. »
La théorie prédit que les électrodes métalliques permettent de contrôler les ondes de spin, mais les physiciens ont à peine constaté de tels effets dans les expériences jusqu’à présent. « La percée de notre équipe de recherche est que nous montrons que nous pouvons effectivement contrôler correctement les ondes de spin si nous utilisons une électrode supraconductrice », explique Toeno van der Sar, professeur agrégé au Département de nanosciences quantiques.
Miroir supraconducteur
Son fonctionnement est le suivant : une onde de spin génère un champ magnétique qui à son tour génère un supercourant dans le supraconducteur. Ce supercourant agit comme un miroir pour l’onde de spin : l’électrode supraconductrice réfléchit le champ magnétique vers l’onde de spin. Le miroir supraconducteur provoque un mouvement ascendant et descendant plus lent des ondes de spin, ce qui rend les ondes facilement contrôlables. Borst : « Lorsque les ondes de spin passent sous l’électrode supraconductrice, il s’avère que leur longueur d’onde change complètement ! Et en faisant légèrement varier la température de l’électrode, nous pouvons régler très précisément l’ampleur du changement.
Une illustration de l’expérience. L’illustration montre deux électrodes en or posées sur une fine couche magnétique. Au milieu se trouve une électrode supraconductrice. Avec l’électrode en or gauche, les chercheurs génèrent des ondes de spin dans le matériau magnétique, qui se propagent vers la droite. Au-dessus des électrodes se trouve une membrane carrée en diamant, qui permet aux chercheurs de voir à travers l’électrode supraconductrice. Crédit : Michael Borst, TU Delft
« Nous avons commencé avec une fine couche magnétique de grenat d’yttrium et de fer (YIG), connu comme le meilleur aimant sur Terre. En plus de cela, nous avons posé une électrode supraconductrice et une autre électrode pour induire les ondes de spin. En refroidissant à -268 degrés, nous avons amené l’électrode dans un état supraconducteur », explique Van der Sar. «C’était incroyable de voir que les ondes de rotation devenaient de plus en plus lentes à mesure qu’il faisait plus froid. Cela nous donne une poignée unique pour manipuler les ondes de spin ; nous pouvons les dévier, les refléter, les faire résonner et bien plus encore. Mais cela nous donne également de nouvelles informations considérables sur les propriétés des supraconducteurs.
Capteur unique
Les chercheurs ont photographié les ondes de spin en mesurant leur champ magnétique avec un capteur unique, élément essentiel à l’expérience. Van der Sar : « Nous utilisons les électrons du diamant comme capteurs des champs magnétiques des ondes de spin. Notre laboratoire est pionnier dans cette technique. Ce qui est cool, c’est que nous pouvons regarder à travers le supraconducteur opaque au niveau des ondes de spin en dessous, tout comme un scanner IRM peut regarder à travers la peau dans le corps de quelqu’un.
Nouveaux circuits
«La technologie des ondes de spin en est encore à ses balbutiements», explique Borst. « Par exemple, pour fabriquer des ordinateurs économes en énergie avec cette technologie, nous devons d’abord commencer à construire de petits circuits pour effectuer des calculs. Notre découverte ouvre une porte : les électrodes supraconductrices permettent d’innombrables circuits à ondes de spin nouveaux et économes en énergie.
« Nous pouvons désormais concevoir des dispositifs basés sur des ondes de spin et des supraconducteurs qui produisent peu d’ondes thermiques et sonores », ajoute Van der Sar. « Pensez à la version spintronique des filtres de fréquence ou des résonateurs, composants que l’on retrouve par exemple dans les circuits électroniques des téléphones portables. Ou des circuits qui peuvent servir de transistors ou de connecteurs entre qubits dans un ordinateur quantique.
