Vers un calcul plus efficace, avec des ondes magnétiques

Les chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle conception de circuit qui permet un contrôle précis de l’informatique par ondes magnétiques – sans électricité nécessaire. Cette avancée constitue un pas en avant vers des appareils pratiques à base magnétique, qui ont le potentiel de calculer beaucoup plus efficacement que l’électronique.

Les ordinateurs classiques dépendent d’énormes quantités d’électricité pour l’informatique et le stockage des données, et génèrent beaucoup de chaleur perdue. A la recherche d’alternatives plus efficaces, les chercheurs ont commencé à concevoir des appareils « spintroniques » à base magnétique, qui consomment relativement peu d’électricité et ne génèrent pratiquement pas de chaleur.

Les dispositifs spintroniques exploitent l’onde de spin – une propriété quantique des électrons – dans les matériaux magnétiques ayant une structure en treillis. Cette approche consiste à moduler les propriétés de l’onde de spin pour produire des résultats mesurables qui peuvent être corrélés au calcul. Jusqu’à présent, la modulation des ondes de spin a nécessité l’injection de courants électriques à l’aide de composants encombrants qui peuvent provoquer des bruits de signal et annuler efficacement tout gain de performance inhérent.

Les chercheurs du MIT ont mis au point une architecture de circuit qui n’utilise qu’une paroi de domaine de l’ordre du nanomètre dans des nanofilms stratifiés de matériau magnétique pour moduler une onde de spin qui passe, sans composants supplémentaires ni courant électrique. En retour, l’onde de rotation peut être réglée pour contrôler l’emplacement du mur, au besoin. Ceci permet un contrôle précis de deux états d’onde de spin changeants, qui correspondent aux 1s et 0s utilisés dans le calcul classique.

À l’avenir, des paires d’ondes de spin pourraient être introduites dans le circuit par des canaux doubles, modulées pour différentes propriétés et combinées pour générer des interférences quantiques mesurables – de la même façon que l’interférence des ondes photoniques est utilisée pour le calcul quantique. Les chercheurs émettent l’hypothèse que de tels dispositifs spintroniques basés sur l’interférence, comme les ordinateurs quantiques, pourraient exécuter des tâches très complexes que les ordinateurs conventionnels ont du mal à exécuter.

« Les gens commencent à chercher l’informatique au-delà du silicium. L’informatique par ondes est une alternative prometteuse « , déclare Luqiao Liu, professeur au Département de génie électrique et d’informatique (EECS) et chercheur principal du Spintronic Material and Device Group du laboratoire de recherche en électronique. « En utilisant ce mur de domaine étroit, nous pouvons moduler l’onde de spin et créer ces deux états séparés, sans coûts énergétiques réels. Nous ne comptons que sur les ondes de spin et les matériaux magnétiques intrinsèques. »

Jiahao Han, Pengxiang Zhang et Justin T. Hou, trois étudiants diplômés du Spintronic Material and Device Group, et Saima A. Siddiqui, une étudiante postdoctorale de l’EECS, rejoignent Liu.

Magnons de retournement

Les ondes de spin sont des ondulations d’énergie avec de petites longueurs d’onde. Les morceaux de l’onde de spin, qui sont essentiellement la rotation collective de nombreux électrons, sont appelés magnons. Bien que les magnons ne soient pas de vraies particules, comme les électrons individuels, ils peuvent être mesurés de la même façon pour des applications informatiques.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont utilisé une  » paroi de domaine magnétique  » personnalisée, une barrière de la taille d’un nanomètre entre deux structures magnétiques voisines. Ils ont superposé un motif de nanofilms de cobalt/nickel – chacun ayant quelques atomes d’épaisseur – avec certaines propriétés magnétiques souhaitables qui peuvent supporter un volume élevé d’ondes de spin. Ensuite, ils ont placé le mur au milieu d’un matériau magnétique avec une structure en treillis spéciale et ont incorporé le système dans un circuit.

D’un côté du circuit, les chercheurs ont excité des ondes de spin constantes dans le matériau. Lorsque la vague traverse le mur, ses magnons tournent immédiatement dans la direction opposée : Les magnons de la première région tournent vers le nord, tandis que ceux de la deuxième région – après le mur – tournent vers le sud. Ceci provoque un changement dramatique de la phase (angle) de l’onde et une légère diminution de son amplitude (puissance).

Lors d’expériences, les chercheurs ont placé une antenne séparée sur le côté opposé du circuit, qui détecte et transmet un signal de sortie. Les résultats indiquent qu’à son état de sortie, la phase de l’onde d’entrée a basculé de 180 degrés. L’amplitude de la vague – mesurée du pic le plus haut au pic le plus bas – avait également diminué de façon significative.

Ajout d’un peu de couple

Ensuite, les chercheurs ont découvert une interaction mutuelle entre l’onde de spin et la paroi du domaine qui leur a permis de basculer efficacement entre deux états. Sans la paroi du domaine, le circuit serait uniformément magnétisé ; avec la paroi du domaine, le circuit a une onde divisée et modulée.

En contrôlant l’onde de rotation, ils ont découvert qu’ils pouvaient contrôler la position de la paroi du domaine. Il s’agit d’un phénomène appelé  » couple de spin-transfert « , c’est-à-dire lorsque des électrons en rotation secouent essentiellement un matériau magnétique pour inverser son orientation magnétique.

Dans les travaux des chercheurs, ils ont augmenté la puissance des ondes de spin injectées pour induire un certain spin des magnons. Ceci attire en fait le mur vers la source d’onde amplifiée. Ce faisant, la paroi se coince sous l’antenne, ce qui la rend incapable de moduler les ondes et d’assurer une magnétisation uniforme dans cet état.

À l’aide d’un microscope magnétique spécial, ils ont montré que cette méthode provoque un décalage de l’ordre du micromètre dans le mur, ce qui suffit à le positionner n’importe où le long du bloc de matériau. Notamment, le mécanisme du couple de rotation-transfert des magnons a été proposé, mais non démontré, il y a quelques années. « Il y avait de bonnes raisons de penser que cela se produirait « , dit Liu. « Mais nos expériences prouvent ce qui se passera dans ces conditions. »

Tout le circuit est comme une conduite d’eau, dit Liu. La vanne (paroi du domaine) contrôle la façon dont l’eau (onde de rotation) s’écoule à travers le tuyau (matériau). « Mais vous pouvez aussi imaginer que la pression de l’eau soit si élevée qu’elle casse la vanne et la pousse en aval « , dit Liu. « Si nous appliquons une onde de spin assez forte, nous pouvons déplacer la position du mur du domaine – sauf qu’il se déplace légèrement en amont, pas en aval. »

De telles innovations pourraient permettre un calcul pratique basé sur les ondes pour des tâches spécifiques, telles que la technique de traitement du signal, appelée « transformée de Fourier rapide ». Ensuite, les chercheurs espèrent construire un circuit d’ondes fonctionnel capable d’exécuter des calculs de base. Entre autres choses, ils doivent optimiser les matériaux, réduire le bruit potentiel du signal et étudier plus avant la vitesse à laquelle ils peuvent passer d’un état à l’autre en se déplaçant autour de la paroi du domaine. « C’est le prochain sur notre liste de choses à faire », dit Liu.