Des chercheurs du département de physique de l’université d’Oxford ont réalisé une avancée majeure dans la création et la conception de tourbillons magnétiques dans des membranes pouvant être parfaitement intégrées au silicium. Ces tourbillons magnétiques semblables à des ouragans, censés se déplacer à des vitesses incroyables pouvant atteindre des kilomètres par seconde, pourraient être utilisés comme supports d’informations dans une nouvelle génération de plates-formes informatiques vertes et ultra-rapides.
L’étude intitulée « États antiferromagnétiques spatialement reconfigurables dans des nanomembranes autonomes topologiquement riches » a été publié dans Matériaux naturels.
Traditionnellement, ces tourbillons insaisissables ne pouvaient être produits que dans des matériaux présentant une compatibilité limitée avec le silicium, ce qui entravait leur application pratique. Cet obstacle a été surmonté grâce au développement d’une nouvelle forme de couches magnétiques qui peuvent être détachées de leurs hôtes cristallins d’origine et transférées sur n’importe quelle plate-forme souhaitée, telle qu’une plaquette de silicium.
Les travaux ont été dirigés par le Dr Hariom Jani du Département de physique de l’Université d’Oxford travaillant dans le groupe de recherche du professeur Paolo Radaelli, en collaboration avec l’Université nationale de Singapour et la Swiss Light Source.
Le Dr Jani a déclaré : « L’informatique basée sur le silicium est beaucoup trop inefficace en énergie pour la prochaine génération d’applications informatiques telles que l’IA à grande échelle et les appareils autonomes. Pour surmonter ces défis, il faudra un nouveau paradigme informatique qui utilise des phénomènes physiques qui sont à la fois rapides et rapides. et efficace pour augmenter la technologie actuelle.
« Nous avons cherché à exploiter les tourbillons magnétiques dans une classe spéciale de matériaux appelés antiferromagnétiques, qui sont 100 à 1 000 fois plus rapides que les appareils modernes. Le problème jusqu’à présent est que ces tourbillons ne peuvent être créés que sur des modèles de cristaux rigides incompatibles avec technologie actuelle basée sur le silicium, notre objectif était donc de trouver un moyen de traduire ces tourbillons exotiques en silicium.
« Pour y parvenir, nous avons fabriqué des membranes cristallines ultra-minces d’hématite (le composant principal de la rouille et donc l’antiferromagnétique le plus abondant) qui s’étendaient latéralement sur des dimensions macroscopiques », explique le professeur Radaelli. « De telles membranes sont relativement nouvelles dans le monde des matériaux quantiques cristallins et combinent les caractéristiques avantageuses des céramiques 3D en vrac et des matériaux 2D, tout en étant facilement transférables. »
La couche d’hématite a été cultivée sur un gabarit cristallin recouvert d’une « couche sacrificielle » spéciale constituée d’un composant de ciment. Cette couche sacrificielle s’est dissoute dans l’eau, séparant facilement l’hématite de la base cristalline. Enfin, la membrane d’hématite autonome a été transférée sur du silicium et sur plusieurs autres plates-formes souhaitables.
Le groupe a développé une nouvelle technique d’imagerie utilisant des rayons X polarisés linéairement pour visualiser les motifs magnétiques à l’échelle nanométrique à l’intérieur de ces membranes. Cette méthode a révélé que les couches autonomes sont capables d’héberger une famille robuste de tourbillons magnétiques. Potentiellement, cela pourrait permettre un traitement ultra-rapide des informations.
« L’une de nos découvertes les plus passionnantes a été l’extrême flexibilité de nos membranes en hématite », explique le Dr Jani.
« Contrairement à leurs homologues rigides, semblables à de la céramique, qui ont tendance à se briser, nos membranes flexibles peuvent être tordues, pliées ou enroulées sous diverses formes sans se fracturer. Nous avons exploité cette nouvelle flexibilité pour concevoir des tourbillons magnétiques en trois dimensions, ce qui était auparavant » Ce n’est pas possible. À l’avenir, la forme de ces membranes pourrait être modifiée pour réaliser des tourbillons complètement nouveaux dans des circuits magnétiques 3D. «
Le groupe travaille actuellement au développement de prototypes de dispositifs qui utiliseront des courants électriques pour exciter la riche dynamique de ces tourbillons ultra-rapides. Le Dr Jani conclut : « À terme, de tels dispositifs pourraient être intégrés à de nouveaux types d’ordinateurs qui fonctionnent davantage comme le cerveau humain. Nous sommes très enthousiasmés par ce qui va suivre. »
Plus d’information:
Hariom Jani et al, États antiferromagnétiques spatialement reconfigurables dans des nanomembranes autoportantes topologiquement riches, Matériaux naturels (2024). DOI : 10.1038/s41563-024-01806-2