Appareils plus écoénergétiques grâce à la technologie des armoires

Professeur junior Dr. Philipp Pirro (liens) et Professeur Dr. Mathias Weiler. (Voir/Voss TUK)

Smartphone, smartwatch ou un ordinateur classique – les appareils électroniques consomment beaucoup d’énergie. Les nouvelles technologies, rendues possibles par la recherche sur le spin, peuvent aider à réduire cette consommation, notamment en étant intégrées dans les semi-conducteurs et microprocesseurs courants. À l’Université Technique de Kaiserslautern (TUK), deux nouveaux projets de recherche financés par l’Union Européenne (UE) s’intéressent à ce sujet. L’un est coordonné par la TUK et bénéficie d’un financement de 3,3 millions d’euros de l’UE, dont 525 000 euros pour Kaiserslautern. L’autre projet est dirigé en Belgique. L’UE prévoit environ trois millions d’euros pour cela, dont 310 000 euros destinés aux travaux à la TUK.

Pour rendre les appareils électroniques plus économes en énergie, la recherche vise à exploiter les ondes de spin et leurs particules quantiques, les magnons. Ceux-ci peuvent transporter plus d’informations que les électrons tout en consommant nettement moins d’énergie. Les ondes de spin sont, quant à elles, l’excitation collective des moments magnétiques dans un matériau magnétique. Le spin correspond au moment cinétique intrinsèque d’une particule quantique, comme un électron ou un neutron. Il constitue la base de tous les phénomènes magnétiques.

Les deux projets financés par l’UE visent à appliquer les connaissances issues de la recherche sur le spin et la magnonique. Dans le cadre du projet « Magnonics meets micro-electro-mechanical systems : un nouveau paradigme pour la technologie de communication et le traitement des signaux en radiofréquence » (M&MEMS), il s’agit de rendre la technologie du magnons compatible avec les appareils électroniques existants.

L’équipe mise sur la combinaison de systèmes magnoniques avec des systèmes micromécaniques, appelés puces MEMS. MEMS signifie « micro-electro-mechanical systems ». « Il s’agit par exemple de moteurs microscopiques ou de capteurs d’accélération, que l’on trouve notamment dans les smartphones », explique le coordinateur du projet, le professeur junior Philipp Pirro, qui travaille à la TUK dans le domaine du magnétisme. « Les systèmes magnoniques peuvent être contrôlés via des champs magnétiques. Ceux-ci sont généralement générés par des électroaimants, mais cela nécessite actuellement de l’électricité. » Son collègue, le professeur Dr. Mathias Weiler, qui étudie les phénomènes de spin appliqués à la TUK, ajoute : « Cela rend le système encore inefficace pour le moment. »

Les systèmes micromécaniques entrent alors en jeu. « Nous voulons y positionner de petits aimants permanents pour générer un champ magnétique », poursuit Weiler. « Une fois cela fait, il n’est plus nécessaire d’utiliser d’énergie supplémentaire. » La force du champ magnétique peut être ajustée en rapprochant ou en éloignant l’aimant de l’élément magnonique. Ainsi, la consommation d’énergie serait très faible. « Cela est particulièrement intéressant pour les appareils mobiles », cite Pirro en exemple.

Ce projet, coordonné par l’Université Technique de Kaiserslautern (TUK), implique huit partenaires de cinq pays de l’UE. Parmi eux figurent des universités comme la TU Munich et le Politecnico di Milano, ainsi que des entreprises de technologie de pointe dans le domaine des communications en haute fréquence, telles que Nokia et Thales. À la TUK, Pirro et Weiler sont soutenus par le professeur Dr. Burkard Hillebrands, chef du groupe de travail sur le magnétisme.

Dans le second projet financé, « Systèmes de calcul basés sur des architectures hybrides de ondes de spin – CMOS intégrés » (SPIDER), il s’agit également d’éléments magnoniques. « Nous voulons construire un système où la magnonique serait connectée à un ordinateur standard et intégrée dans des composants semi-conducteurs courants », explique Pirro. L’équipe de recherche se concentre sur ce que l’on appelle la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), présente dans tous les ordinateurs modernes. « Si nous parvenons à rendre la magnonique compatible avec les techniques et puces existantes, cela réduirait la barrière à l’entrée pour son application. »

Ce projet implique, aux côtés de la TUK et de la société Fraunhofer, quatre autres partenaires européens. Il est coordonné par l’Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) à Louvain, en Belgique.

Les travaux sur ces deux projets se dérouleront dans le nouveau bâtiment de recherche LASE (Laboratoire pour l’Ingénierie Avancée du Spin) sur le campus de la TUK, où des chercheurs en physique, chimie et sciences de l’ingénieur étudieront ensemble les phénomènes de spin. Récemment, le professeur Weiler et le professeur junior Pirro ont chacun reçu une bourse ERC (European Research Council) pour poursuivre leurs recherches dans le domaine du spin. Les bourses ERC comptent parmi les financements de recherche les plus prestigieux au monde.

Les équipes, notamment celles des deux physiciens, ont posé les bases de ces projets par des travaux réalisés dans le centre OPTIMAS, financé par la région, dédié à l’optique et aux sciences des matériaux, ainsi que dans le cadre du programme de recherche « Spin + X », soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fondation allemande pour la recherche).

Dans le cadre de ces nouveaux projets, des postes scientifiques seront également créés. Les personnes intéressées, possédant les qualifications requises, sont invitées à postuler.

Questions auxquelles répondre :

Juniorprofesseur Dr. Philipp Pirro
Département Magnétisme / TU Kaiserslautern
Tél. : 0631 205 4092
E-mail : ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Professeur Dr. Mathias Weiler
Phénomènes de spin appliqués / TU Kaiserslautern
Tél. : 0631 205 4099
E-mail : weiler(at)physik.uni-kl.de