Les nanofils magnéniques ouvrent la voie à un nouveau type d'ordinateurs

La panneau de gauche montre une image générée par microscopie électronique à balayage d'un guide d'ondes YIG d'une largeur de 50 nm. L'antenne permet d'exciter des ondes de spin, qui se propagent ensuite le long du ruban. La panneau de droite présente un extrait agrandi du guide d'ondes par rapport à la taille du coronavirus. (Source : TUK / Nano Structuring Center)

Le magnétisme offre d'une part de nouvelles possibilités pour développer des ordinateurs plus puissants et plus économes en énergie, d'autre part la réalisation du calcul magnétique à l'échelle nanométrique constitue un défi complexe. Un groupe de chercheurs de Kaiserslautern, Jena et Vienne rapporte une avancée décisive dans le domaine des calculs à très faible consommation d'énergie utilisant des ondes magnétiques dans la revue Nano Letters.

Une perturbation locale dans l'ordre magnétique d'un aimant peut se propager sous forme d'ondes à travers un matériau. Ces ondes sont appelées ondes de spin et les quasi-particules associées sont appelées magnons. Des scientifiques de l'Université technique de Kaiserslautern, d'Innovent e.V. de Jena et de l'Université de Vienne sont reconnus pour leur expertise dans le domaine de la « magnonique ». Ici, les magnons sont utilisés pour le développement de nouveaux types d'ordinateurs qui pourraient compléter les processeurs traditionnels basés sur les électrons.

« Une nouvelle génération d'ordinateurs avec des magnons pourrait être plus performante et surtout consommer moins d'énergie. Une condition essentielle est que nous soyons capables de fabriquer ce qu'on appelle des guides d'ondes monomodes, ce qui nous permettrait d'utiliser des schémas avancés de traitement de signaux basés sur des ondes », explique le professeur junior Philipp Pirro, l'un des principaux scientifiques du projet. « Pour cela, il faut réduire les dimensions de nos structures à l'échelle nanométrique. Le développement de tels conducteurs de données ouvre notamment la voie au développement de systèmes informatiques neuromorphes, s'inspirant du fonctionnement du cerveau humain. »

La mise à l'échelle de la technologie magnonique à l'échelle nanométrique constitue cependant un défi : « Un matériau très prometteur pour les applications magnétiques est le grenat d'yttrium-fer, YIG. Le YIG est une sorte de « matériau magnétique noble », car les magnons y survivent environ cent fois plus longtemps que dans d'autres matériaux », explique le chef de projet, le professeur Andrii Chumak de l'Université de Vienne. « Mais tout a un prix : le YIG est très complexe et difficile à manipuler lorsqu'on tente de fabriquer des structures miniatures à partir de celui-ci. Pendant des décennies, les structures en YIG faisaient plusieurs millimètres, et ce n'est que récemment que nous avons réussi à réduire cette taille à 50 nanomètres, ce qui représente environ 100 000 fois moins. »

Pour cela, le Centre de structuration nanométrique de l'Université technique de Kaiserslautern a développé une nouvelle technologie spécifique, utilisant des couches de YIG cultivées par le collaborateur Dr. Carsten Dubs d'Innovent e.V. de Jena. Sur cette couche de YIG, une fine couche métallique, appelée masque, est déposée, laissant la majorité de cette couche exposée. Ensuite, l'échantillon est bombardé avec un flux intense d'ions d'argon, qui élimine les parties non protégées de la couche de YIG, tandis que le matériau sous le masque reste intact. Après cela, le masque métallique est enlevé, révélant une bande de 50 nm d'épaisseur de la couche de YIG finie.

« La clé du succès de tout le processus a été de trouver les bons matériaux pour le masque, de déterminer l'épaisseur nécessaire, et d'ajuster une dizaine de paramètres pour obtenir les propriétés souhaitées de la couche de YIG », explique Björn Heinz, l'auteur principal de l'article. « Après plusieurs années d'études, nous avons enfin trouvé la méthode adaptée, une combinaison de couches de chrome et de titane. La largeur de la structure en YIG est environ mille fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain. Après la structuration réussie, les chercheurs ont continué à étudier la propagation des magnons pour vérifier si les structures nanométriques en YIG conservaient les propriétés exceptionnelles de ces couches. »

« Nous avons pu montrer que le processus de structuration n'avait qu'une influence minime sur les propriétés exceptionnelles de ce matériau », indique Heinz. « De plus, nous avons pu démontrer expérimentalement que les magnons peuvent transporter efficacement des informations sur de grandes distances dans les conducteurs, comme cela avait été théorisé auparavant. Ces résultats constituent une étape importante dans le développement de circuits magnoniques et prouvent la faisabilité générale du traitement de données basé sur les magnons. »

La recherche a été menée dans le cadre du ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), du Sonderforschungsbereich SFB 173 Spin+X (P. Pirro) et du projet DFG DU 1427/2-1 (C. Dubs), et a été financée par le centre de recherche régional OPTIMAS.

Les résultats ont été publiés dans la revue Nano Letters : DOI : 10.1021/acs.nanolett.0c00657