La spintronique est une approche prometteuse de la technologie informatique qui utilise le moment cinétique intrinsèque des électrons pour traiter l’information, ce qui pourrait rendre les ordinateurs plus rapides et plus économes en énergie. Les chercheurs ont expérimenté des tourbillons magnétiques, ou skyrmions, et ont récemment décuplé leur taux de diffusion à l’aide d’antiferromagnétiques synthétiques, ouvrant ainsi la voie à un calcul efficace basé sur le spin.
Des chercheurs allemands et japonais ont réussi à multiplier par dix la diffusion de tourbillons magnétiques, appelés skyrmions.
Dans le monde d’aujourd’hui, nos vies sont inimaginables sans ordinateurs. Jusqu’à présent, ces appareils traitaient les informations en utilisant principalement des électrons comme porteurs de charge, les composants eux-mêmes s’échauffant considérablement au cours du processus. Un refroidissement actif est donc nécessaire, ce qui entraîne des coûts énergétiques élevés. La spintronique vise à résoudre ce problème : au lieu d’utiliser le flux d’électrons pour le traitement de l’information, elle s’appuie sur leur spin ou leur moment cinétique intrinsèque. Cette approche devrait avoir un impact positif sur la taille, la vitesse et la durabilité des ordinateurs ou de composants spécifiques.
Informations sur le stockage et le processus des tourbillons magnétiques
Souvent, la science ne considère pas simplement le spin d’un électron individuel, mais plutôt les tourbillons magnétiques composés de nombreux spins. Ces tourbillons appelés skyrmions émergent dans de fines couches métalliques magnétiques et peuvent être considérés comme des quasi-particules bidimensionnelles. D’une part, les tourbillons peuvent être délibérément déplacés en appliquant un petit courant électrique aux couches minces ; d’un autre côté, ils se déplacent de manière aléatoire et extrêmement efficace grâce à la diffusion. La faisabilité de la création d’un ordinateur fonctionnel basé sur les skyrmions a été démontrée par une équipe de chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), dirigée par le professeur Mathias Kläui, à l’aide d’un premier prototype. Ce prototype était constitué de fines couches métalliques empilées, certaines n’ayant que quelques couches atomiques d’épaisseur.
Deux skyrmions couplés antiferromagnétiquement : le spin au centre et les spins extérieurs sont antiparallèles l’un à l’autre. Crédit : ill./© : Takaaki Dohi / Université du Tohoku
Améliorer l’efficacité énergétique
En collaboration avec l’Université de Constance et l’Université de Tohoku au Japon, les chercheurs de l’Université de Mayence ont franchi une nouvelle étape vers l’informatique non conventionnelle basée sur le spin : ils ont pu augmenter la diffusion des skyrmions d’un facteur d’environ dix à l’aide d’antiferromagnétiques synthétiques, qui réduit considérablement la consommation d’énergie et augmente la vitesse d’un tel ordinateur potentiel. «La réduction de la consommation d’énergie des appareils électroniques constitue l’un des plus grands défis de la recherche fondamentale», a souligné le professeur Ulrich Nowak, qui a dirigé la partie théorique du projet à Constance.
Le pouvoir des antiferromagnétiques
Mais qu’est-ce qu’un antiferromagnétique et à quoi sert-il ? Les ferromagnétiques normaux sont constitués de nombreux petits spins, tous couplés pour pointer dans la même direction, créant ainsi un grand moment magnétique. Dans les antiferromagnétiques, les spins sont alignés alternativement de manière antiparallèle, c’est-à-dire qu’un spin et ses voisins directs pointent dans la direction opposée. En conséquence, il n’y a pas de moment magnétique net, même si les spins restent bien ordonnés de manière antiferromagnétique. Les antiferromagnétiques présentent des avantages significatifs, tels qu’une dynamique de commutation trois fois plus rapide, une meilleure stabilité et la possibilité de densités de stockage plus élevées. Ces propriétés sont intensivement étudiées dans de multiples projets de recherche.
Afin de comprendre pourquoi ces antiferromagnétiques sont utiles dans ce contexte, nous devons approfondir un peu. Lorsque les skyrmions se déplacent très rapidement, une composante de force supplémentaire apparaît dans les couches ferromagnétiques perpendiculaires à la direction du mouvement. Cette composante de force fait dévier les skyrmions de leur trajectoire. Par conséquent, ils finissent par entrer en collision avec le mur, se coincent et gênent le passage des autres. À des vitesses plus élevées, ils peuvent même être détruits. Cependant, il est théoriquement connu que cet effet soit ne se produit pas dans les antiferromagnétiques, soit se produit dans une mesure très limitée.
Avancées dans les antiferromagnétiques synthétiques
Pour créer artificiellement un tel antiferromagnétique, les chercheurs ont couplé deux de leurs couches ferromagnétiques de manière à ce que la magnétisation des deux couches soit précisément alignée dans des directions opposées, annulant ainsi leurs champs magnétiques. Cela présente deux avantages : ils réduisent la force poussant les tourbillons hors de leur trajectoire et augmentent ainsi la diffusion. « Nous avons ainsi créé un antiferromagnétique synthétique dans lequel la diffusion des skyrmions est environ dix fois supérieure à celle des différentes couches », a déclaré Klaus Raab, physicien au JGU. « Cette diffusion peut être mise en œuvre pour réaliser le calcul stochastique, une forme de calcul dans laquelle des processus stochastiques tels que le mouvement aléatoire des particules sont utilisés. »
L’équipe de chercheurs a étudié les effets de la compensation des couches magnétiques ainsi que l’influence de la température et de la taille des skyrmions sur la diffusion et par conséquent sur le mouvement des skyrmions, à la fois expérimentalement et par simulation. Des connexions complexes ont été découvertes : à mesure que la température augmente, les skyrmions ont plus d’énergie pour se diffuser plus rapidement. La chaleur réduit également la taille des skyrmions, ce qui affecte positivement leur mobilité. La compensation de la composante de force verticale a également un impact positif sur la diffusion. Tous ces effets sont difficiles à dissocier les uns des autres. « La diffusion croissante semble être imputable non seulement à la pure compensation des champs magnétiques, mais aussi à la réduction associée de la taille des skyrmions », a résumé Raab.
Le professeur Mathias Kläui, qui a dirigé l’étude, se réjouit de la collaboration fructueuse avec l’université du Tohoku : « Nous travaillons avec cette université japonaise de premier plan depuis une dizaine d’années et il existe même des programmes d’études communs. Avec le soutien du service allemand d’échanges universitaires – DAAD – et d’autres bailleurs de fonds de la recherche, plus d’une douzaine d’étudiants de l’université de Mayence ont déjà participé à des échanges avec l’université du Tohoku. Je suis ravi que cet effort de collaboration ait été rendu possible grâce à cette coopération.
Les résultats de la recherche ont été publiés récemment dans la revue Communications naturelles.
