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La conception de circuits offre une voie d'accès aux dispositifs «spintroniques» qui consomment peu d'électricité et ne produisent pratiquement pas de chaleur – Actualite-sante

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Les chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle conception de circuit permettant un contrôle précis de l’informatique par ondes magnétiques – sans besoin d’électricité. L’avancée fait un pas en avant vers les dispositifs à base magnétique pratiques, capables de calculer beaucoup plus efficacement que l’électronique.

Les ordinateurs classiques utilisent énormément d’électricité pour le calcul et le stockage de données, et génèrent beaucoup de chaleur perdue. À la recherche de solutions de rechange plus efficaces, les chercheurs ont commencé à concevoir des dispositifs "spintroniques" à base magnétique, qui utilisent relativement peu d'électricité et ne produisent pratiquement pas de chaleur.

Les dispositifs Spintronic exploitent la "vague de spin", une propriété quantique des électrons – en matériaux magnétiques à structure en treillis. Cette approche consiste à moduler les propriétés des ondes de spin pour produire des sorties mesurables pouvant être corrélées au calcul. Jusqu'à présent, la modulation des ondes de spin nécessitait l'injection de courants électriques à l'aide de composants volumineux pouvant générer un bruit de signal et nier efficacement les gains de performance inhérents.

Les chercheurs du MIT ont développé une architecture de circuit utilisant uniquement une paroi de domaine de dimension nanométrique dans des nanofilms en couches de matériau magnétique pour moduler une onde de spin qui passe, sans aucun composant supplémentaire ni courant électrique. À son tour, l’onde de spin peut être réglée pour contrôler l’emplacement du mur, selon les besoins. Ceci permet un contrôle précis de deux états d'ondes de spin changeants, correspondant aux 1 et aux 0 utilisés dans l'informatique classique.

À l'avenir, des paires d'ondes de spin pourraient être introduites dans le circuit par le biais de canaux doubles, modulés pour des propriétés différentes, et combinées pour générer des interférences quantiques mesurables, similaires à la manière dont l’interférence d’ondes photoniques est utilisée pour le calcul quantique. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que de tels dispositifs spintroniques basés sur les interférences, tels que les ordinateurs quantiques, pourraient exécuter des tâches extrêmement complexes aux prises avec des ordinateurs conventionnels.

"Les gens commencent à chercher des solutions informatiques au-delà du silicium. L'informatique en ondes est une alternative prometteuse", déclare Luqiao Liu , professeur au Département de génie électrique et informatique (EECS) et chercheur principal du groupe Matériels et dispositifs spintroniques du laboratoire de recherche en électronique. "En utilisant cette paroi de domaine étroite, nous pouvons moduler l'onde de spin et créer ces deux états séparés, sans aucun coût énergétique réel. Nous nous appuyons simplement sur les ondes de spin et le matériau magnétique intrinsèque."

Jiahao Han rejoint Liu sur le papier. , Pengxiang Zhang et Justin T. Hou, trois étudiants diplômés du groupe Spintronic Material and Device; et EECS, post-doc, Saima A. Siddiqui.

Inversion des magnons

Les ondes de spin sont des ondulations d’énergie ayant de petites longueurs d’onde. Les morceaux de l'onde de spin, qui sont essentiellement le spin collectif de nombreux électrons, sont appelés magnons. Les magnons ne sont pas de vraies particules, comme les électrons individuels, mais ils peuvent être mesurés de la même manière pour les applications informatiques.

Dans leur travail, les chercheurs ont utilisé une "paroi de domaine magnétique" personnalisée, une barrière nanométrique entre deux structures magnétiques voisines. Ils ont superposé un motif de nanofilms de cobalt / nickel – chacun d’une épaisseur de quelques atomes – avec certaines propriétés magnétiques souhaitables capables de supporter un volume élevé d’ondes de spin. Ensuite, ils ont placé la paroi au milieu d'un matériau magnétique doté d'une structure en treillis spéciale et ont intégré 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 (au-delà du mur) tournent vers le sud. Cela provoque un décalage important de la phase de la vague (angle) et une légère diminution de sa magnitude (puissance).

Lors des expériences, les chercheurs ont placé une antenne distincte du côté opposé du circuit, qui détecte et transmet un signal de sortie. Les résultats ont indiqué que, à l'état de sortie, la phase de l'onde d'entrée était inversée de 180 degrés. La magnitude de la vague – mesurée du pic le plus élevé au plus faible – avait également diminué considérablement.

Ajout d'un couple

Les chercheurs ont ensuite découvert une interaction mutuelle entre l'onde de spin et le mur de domaine qui leur permettait de fonctionner. pour basculer efficacement entre deux états. Sans le mur de domaine, le circuit serait uniformément magnétisé. avec la paroi du domaine, le circuit a une onde divisée et modulée

En contrôlant l’onde de spin, ils ont découvert qu’ils pouvaient contrôler la position de la paroi du domaine. Cela repose sur un phénomène appelé "couple de transfert de spin", qui correspond au moment où des électrons en rotation secouent essentiellement un matériau magnétique pour inverser son orientation magnétique.

Dans le travail des chercheurs, ils ont augmenté la puissance des ondes de spin injectées pour induire une certaine rotation des magnons. Cela attire en fait le mur vers la source d'onde amplifiée. Ce faisant, le mur se coince sous l’antenne, ce qui le rend effectivement incapable de moduler les ondes et assure une magnétisation uniforme dans cet état.

À l’aide d’un microscope magnétique spécial, ils ont montré que cette méthode provoquait un décalage de la taille du micromètre mur, ce qui suffit pour le positionner n’importe où le long du bloc de matériau. Notamment, le mécanisme du couple magnon-transfert de spin a été proposé, mais non démontré, il y a quelques années. "Il y avait de bonnes raisons de penser que cela se produirait", a déclaré Liu. "Mais nos expériences prouvent ce qui se passera réellement dans ces conditions."

Tout le circuit est comme une conduite d'eau, dit Liu. La vanne (paroi du domaine) contrôle la manière dont l'eau (onde de spin) s'écoule à travers le tuyau (matériau). "Mais vous pouvez aussi imaginer que la pression de l'eau soit si élevée, cela coupe la vanne et la pousse en aval", a déclaré Liu. "Si nous appliquons une onde de spin assez forte, nous pourrons déplacer la position du mur de domaine, à l'exception du mouvement légèrement en amont et non en aval."

De telles innovations pourraient permettre un calcul pratique à base d'ondes pour des tâches spécifiques, telles que le signal technique de traitement, appelée "transformation rapide de Fourier". Les chercheurs espèrent ensuite construire un circuit d’onde de travail capable d’exécuter des calculs de base. Entre autres choses, ils doivent optimiser les matériaux, réduire le bruit de signal potentiel et étudier à quelle vitesse ils peuvent basculer entre les états en se déplaçant autour du mur de domaine. "C'est la prochaine sur notre liste de choses à faire", dit Liu.

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