ENGINEERINGNET.BE - La magnonique, sous-domaine émergent de l’ingénierie, s’intéresse au codage d’informations à haute vitesse et à haut rendement tout en limitant les pertes d’énergie dont souffre l’électronique.
Cette perte d’énergie se produit lorsque des électrons se déplaçant dans un circuit produisent de la chaleur. Les systèmes magnoniques, eux, n’impliquent aucun flux d’électrons.
À la place, un champ magnétique externe est appliqué à un aimant, ce qui perturbe l’orientation magnétique (ou «spin») des électrons de l’aimant. Cette perturbation crée une excitation collective sur mesure appelée onde de spin (magnon), qui se propage dans l’aimant – comme une ondulation sur un étang – tandis que les électrons ne bougent pas.
Malgré cet avantage, les systèmes magnoniques en 3D restent largement expérimentaux, car leur fonctionnement nécessite généralement de forts champs magnétiques ou des températures extrêmement basses (cryogéniques), ce qui les rend incompatibles avec les dispositifs classiques.
Les scientifiques du Laboratoire des matériaux magnétiques nanostructurés et magnoniques (LMGN) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL viennent de franchir une étape décisive vers une application concrète de la magnonique. Ils ont supprimé la nécessité de recourir à des températures extrêmes tout en proposant une méthodologie de fabrication tridimensionnelle.
En tordant physiquement des nanotubes en nickel ferromagnétique, l’équipe a induit une propriété particulière appelée chiralité, dans laquelle la symétrie d’un objet diffère de celle de son image miroir.
Cette asymétrie a conduit les magnons à ne circuler que dans une seule direction le long de l'axe du tube. Cela ouvre la voie à un codage de l’information binaire et à la transmission des signaux sur une puce.
Par exemple, le modèle de flux de magnons «à droite» de la torsion en spirale pourrait représenter le 0, tandis que celui «à gauche» pourrait représenter 1.
Pour Dirk Grundler, responsable du LMGN, cette prouesse technique aboutit aussi à la création d’une diode, un élément clé des technologies électroniques qui ne conduit les signaux que dans une seule direction. «Pour faire simple, nous avons créé une diode 3D pour magnons qui peut, en même temps, coder des données à température ambiante», explique-t-il. La recherche a été publiée dans Nature Nanotechnology.
Le procédé de nanoingénierie, lancé par Huixin Guo et Mingran Xu, ancien chercheur au LMGN, consiste à imprimer en 3D une tige de polymère torsadée et à la recouvrir d’une très fine couche de nickel.
Alors que certains matériaux présentent spontanément des propriétés chirales à des températures cryogéniques, les scientifiques de l’EPFL ont montré, grâce aux spécialistes en imagerie radiographique de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides et du synchrotron BESSY II en Allemagne, que leur approche basée sur la géométrie a produit un effet chiral beaucoup plus fort que n’importe quel matériau naturel.
Des simulations et des calculs théoriques suggèrent que réduire davantage la taille des tubes et modifier leur courbure en spirale pourraient produire un effet encore renforcé.
«Nous sommes le seul groupe au monde capable de fabriquer ces structures à partir de nickel, qui ne possède pas naturellement de propriétés chirales. Par conséquent, nous “imprimons” la chiralité en utilisant uniquement la géométrie 3D», résume Axel Deenen, chercheur au LMGN.
Leur procédé de fabrication, utilisable pour produire en série des tubes ferromagnétiques, est entièrement compatible avec la technologie des puces utilisée dans l’industrie microélectronique – aucun champ magnétique intense, matériau spécial ou température extrême ne sont requis.
Bien qu’un champ magnétique soit initialement utilisé pour «programmer» les tubes et les ondes de spin, l’information magnonique est ensuite stockée sans aucune charge mobile, ce qui en fait un procédé de codage stable et non volatile.
Dirk Grundler ajoute que, à l’avenir, ces travaux pourraient faciliter l’adoption de la technologie magnonique en tant que moteur de l’informatique neuromorphique, c’est-à-dire inspirée du cerveau, pour l’intelligence artificielle.
«L’informatique neuromorphique matérielle est essentielle pour optimiser les applications d’IA, mais, comme pour le cerveau, cela n’a de sens que pour des architectures 3D et à faible consommation d’énergie. Notre technologie est maintenant prête à répondre à ces besoins.» (Auteur: Celia Luterbacher - Source: EPFL)
