Simulation : Circuit bidimensionnel innovant fonctionnant avec des particules quantiques magnétiques

Doctorant Qi Wang, auteur principal de l'étude actuelle
Photo : TUK/Koziel

Le graphique montre un circuit conventionnel (à gauche) et un circuit magnonique, qui utilise une connexion bidimensionnelle. Photo : AG Hillebrands

Smartphone, calculatrice ou machine de dialyse – aucun appareil électronique ne peut se passer de puce et de ses circuits électroniques. Les composants individuels sont souvent reliés par des structures appelées ponts tridimensionnels. Des physiciens travaillent actuellement sur une variante plus performante à l’Université technique de Kaiserslautern (TUK). Au lieu d’électrons, ils utilisent certaines particules quantiques appelées magnons. Dans leur modèle, ils ont pour la première fois montré comment il est possible de faire circuler un courant dans un circuit magnétique intégré pour ces particules. Ils relient uniquement les éléments en deux dimensions. L’étude a été publiée dans la revue spécialisée « Science Advances ».

Lorsque l’ingénieur américain Jack Kilby a développé le circuit intégré dans les années 1960, cela a marqué une révolution technologique : initialement intégré uniquement dans une calculatrice, cette technologie a permis peu de temps après la domination des ordinateurs, qui utilisaient des processeurs de plus en plus petits. « Ces circuits constituent la base de l’électronique moderne », explique le professeur junior Dr. Andrii Chumak, qui travaille au sein du département de magnétisme sous la direction du professeur Dr. Burkard Hillebrands à la TUK, dans le département de physique. Pour ses travaux, Kilby, également appelé père de la microprocesseur, a reçu le prix Nobel de physique en 2000.

Les physiciens autour de Chumak et de son doctorant Qi Wang, premier auteur de l’étude actuelle, travaillent sur une nouvelle génération de circuits. Ils utilisent des ondes de spin. « Celles-ci peuvent transporter l’information sous forme de moment cinétique intrinsèque dans des matériaux magnétiques », poursuit Chumak. « La particule quantique de ces ondes est le magnon. » Par rapport aux électrons, ils peuvent transporter beaucoup plus d’informations, consommer beaucoup moins d’énergie et produire moins de chaleur. Cela les rend notamment intéressants pour des ordinateurs plus rapides et plus puissants.

Dans cette étude publiée, les chercheurs décrivent pour la première fois un circuit magnétique intégré, dans lequel l’information est transférée par ces particules. Comme dans les circuits électroniques classiques, il est nécessaire d’avoir des conducteurs et des croisements de lignes pour relier les composants. Dans leur simulation, ils ont réussi à développer un tel croisement pour les magnons. « Nous avons intégré dans nos calculs un phénomène déjà connu en physique, mais utilisé pour la première fois en magnétique », explique Qi Wang. « Lorsque deux conducteurs de magnons sont très proches l’un de l’autre, les ondes communiquent entre elles, c’est-à-dire que l’énergie d’une onde est transférée à l’autre. » En optique, cela est utilisé depuis longtemps, par exemple pour transmettre des informations entre des fibres optiques.

Ce phénomène est également exploité par l’équipe « Nano-Magnonics », une branche du département du professeur Hillebrands dirigée par Chumak et Wang, pour câbler de manière innovante les composants d’un circuit magnétique. La particularité : ils utilisent des croisements de lignes sans structure tridimensionnelle. Dans les circuits classiques, cela est nécessaire pour assurer le flux d’électrons entre plusieurs éléments. « Dans notre circuit, nous utilisons un câblage bidimensionnel plat, où les conducteurs de magnons ne doivent être que côte à côte », explique Wang. Ces points de contact sont appelés par les chercheurs des coupleurs directionnels. Grâce à ce modèle, ils souhaitent construire un premier circuit magnétique.

Pour la fabrication future de composants informatiques, ces nouveaux circuits pourraient permettre d’économiser du matériau et donc des coûts. De plus, la taille des composants simulés est de l’ordre du nanomètre, comparable à celle des composants électroniques modernes. Cependant, la densité d’information avec les magnons est plusieurs fois plus grande.

Pour ses travaux sur les magnons, le professeur junior Chumak a reçu en 2016 une bourse ERC Starting Grant, l’un des prix de recherche les plus prestigieux de l’UE. Le physicien et son doctorant Wang travaillent au Centre de recherche sur l’optique et la science des matériaux (OPTIMAS), financé par le Land de Rhénanie-Palatinat.

L’étude a été publiée dans la revue renommée Science Advances : « Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler » DOI : 10.1126/sciadv.1701517