Ordinateur en tant que concepteur de composants magnétiques

Schéma du processus de conception inverse pour les composants magnoniques. (Image : Chloe Kim, Time Illustration Studio) / Le croquis de la conception inverse en magnonique (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

Les composants magnonique ont le potentiel de révolutionner l'industrie de l'électronique. Qi Wang et Andrii Chumak de l'Université de Vienne ainsi que Philipp Pirro de l'Université technique de Kaiserslautern ont considérablement accéléré la conception de composants magnonique polyvalents grâce à un algorithme basé sur la rétroaction. Leur « conception inverse » de composants magnonique est désormais publiée dans Nature Communications.

Le domaine de la magnétique offre une nouvelle forme de traitement de l'information économe en énergie, où les magnons, les quanta des ondes de spin, transmettent et traitent des données à la place des électrons. L'objectif de ce domaine est de créer des circuits magnoniques plus petits et plus efficaces énergétiquement que les circuits électroniques actuels.

Jusqu'à récemment, le développement d'un composant magnonique fonctionnel pouvait prendre des années d'expérimentations. Désormais, des chercheurs de l'Université de Vienne et de l'Université technique de Kaiserslautern ont développé une nouvelle méthode permettant de concevoir de nouveaux composants en beaucoup moins de temps. De plus, l'efficacité obtenue grâce à cette nouvelle « méthode de conception inverse » permet de surmonter un problème jusqu'ici : les composants ne convenaient qu'à une seule fonction. Grâce à ce nouveau concept proposé, un appareil de base peut désormais être facilement modifié pour exécuter n'importe quelle fonction.

Qi Wang, le premier auteur de l'étude publiée dans Nature Communications, a proposé d'appliquer une méthode utilisée dans le domaine de la photonique à la magnétique, où cette approche fonctionne encore mieux. Les trois principes fondamentaux illustrés aident à expliquer le processus. Tout d'abord, les chercheurs déterminent la fonction souhaitée du composant, par exemple un circulateur en Y, l'un des composants les plus courants pour séparer les directions du signal dans la technique des systèmes. Ce composant est un dispositif qui dirige les ondes de spin d'une connexion à une autre, selon la condition de circulation : l'onde de la connexion 1 doit être dirigée vers la connexion 2, celle de la connexion 2 vers la connexion 3, et celle de la connexion 3 vers la connexion 1. Ensuite, cette « tâche » est traduite dans un langage informatique. Enfin, l'ordinateur génère des structures aléatoires et les optimise étape par étape pour atteindre la fonctionnalité souhaitée. Ce processus d'essais et d'erreurs est effectué à très grande vitesse et conduit, grâce à un algorithme intelligent, à une solution optimisée. Le résultat est la conception d'un dispositif fonctionnel avec les fonctionnalités visées par les chercheurs. Comme l'exprime le Dr Wang de l'Université de Vienne : « [...] ouvre la voie à de grands circuits magnonique intégrés, avec une fonctionnalité arbitraire et une haute complexité. »

Cette approche évite la nécessité d'expériences longues et fastidieuses, en soulignant plutôt l'importance de l'imagination des chercheurs, qui définissent les paramètres et objectifs pour les dispositifs conçus par ordinateur. Un exemple de ce processus créatif vient de Philipp Pirro, scientifique à l'Université technique de Kaiserslautern : « Avec la conception inverse, on pourrait développer des neurones, comme ceux présents dans notre cerveau, mais construits à partir d'éléments magnétiques. »

L'enthousiasme autour des possibilités offertes par cette méthode repose sur sa capacité à créer diverses fonctionnalités. Dans leur article, les scientifiques décrivent comment ils ont créé une série de dispositifs différents. Ainsi, ils ont réalisé, en plus du circulateur en Y mentionné, un « multiplexeur » qui sépare une onde d'une certaine fréquence dans un canal et une onde d'une autre fréquence dans un autre canal. Ce type de dispositif est utilisé dans notre vie quotidienne pour permettre une connexion Internet rapide. Le dernier dispositif démontré est un « commutateur non linéaire », qui sépare des ondes de spin d’énergies différentes : il envoie une onde de faible puissance à une sortie et une onde de haute puissance à une autre. Cependant, Andrii Chumak, responsable du groupe de recherche à l'Université de Vienne, souligne : « Notre étude ouvre un nouveau champ avec de grandes perspectives, la magnétique conçue par inverse. Cette approche n'a été démontrée que par simulation jusqu'à présent. Le prochain grand défi est de la réaliser expérimentalement. »

Concernant le potentiel de leurs découvertes, Qi Wang fait une remarque humoristique : « Si j'avais eu l'approche de conception inverse dès le début de mes études, j'aurais terminé ma doctorat beaucoup plus rapidement ! »