Des impulsions laser inversent des vortex magnétiques nanométriques à très haute vitesse, ouvrant la voie à une spintronique inspirée du cerveau

La spintronique : quand l’électronique s’inspire du spin

Au cœur de nos appareils électroniques se cache un principe simple : représenter l’information sous forme de « 0 » et de « 1 ». Une nouvelle branche de la technologie, la spintronique, propose une approche différente. Ces dispositifs n’utilisent pas la charge électrique des électrons, mais leur spin, une forme de moment angulaire intrinsèque, un peu comme une toupie microscopique.

La capacité à changer rapidement les états magnétiques est donc la clé de voûte de ces systèmes. C’est ce qui leur permet de traiter ou de stocker des données. Certains de ces appareils exploitent ce qu’on appelle des vortex magnétiques : des motifs de magnétisation en forme de tourbillons à l’échelle nanométrique qui influencent l’alignement des spins.

Ces vortex possèdent une propriété fondamentale appelée hélicité, qui définit simplement leur sens de rotation. Maîtriser le changement de cette hélicité est une promesse immense pour l’informatique de demain. Cela pourrait ouvrir la porte aux systèmes neuromorphiques, qui imitent l’organisation neuronale du cerveau, ainsi qu’aux mémoires multi-états. Jusqu’à présent, cette manipulation s’est avérée complexe, car elle exige une rotation synchronisée des spins sans pour autant détruire la structure géométrique des vortex.

Une nouvelle méthode associant laser et champ magnétique

Face à ce défi, une équipe de chercheurs de l’Université de Nankai, de l’Université Normale de Chine du Sud et d’autres instituts vient de proposer une solution innovante. Ils ont mis au point une nouvelle approche pour inverser l’hélicité des vortex magnétiques de manière précise et extraordinairement rapide.

Leur méthode, détaillée dans un article publié dans la revue Nature Nanotechnology, repose sur une combinaison astucieuse. Elle consiste à utiliser des impulsions laser extrêmement courtes, de l’ordre de la femtoseconde, tout en appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la surface d’un matériau spécialement conçu à l’échelle nanométrique.

L’expérience au cœur du dispositif

Pour leurs travaux, les scientifiques ont d’abord créé de minuscules vortex magnétiques au sein d’un alliage composé à 80% de nickel (Ni) et à 20% de fer (Fe). Ce matériau est particulièrement prometteur pour le développement de la spintronique en raison de ses propriétés magnétiques avantageuses.

Dans leur publication, Can Liu, Zefang Li et leurs collègues décrivent leur avancée : « Nous rapportons une réalisation expérimentale de commutation cohérente et basculante de l’hélicité dans des vortex magnétiques à l’échelle nanométrique, se produisant sur des échelles de temps de plusieurs centaines de picosecondes ». Concrètement, l’équipe a « éclairé » ces vortex avec des impulsions laser ultracourtes, les chauffant de manière très brève, tout en appliquant un champ magnétique perpendiculaire.

Le mécanisme sous-jacent est précisément expliqué : « Ce comportement de commutation est entraîné par une excitation par impulsion laser femtoseconde sous un champ magnétique hors du plan. Le mécanisme est régi par une démagnétisation photothermique ultrarapide et une précession de spin cohérente lors du processus de remagnétisation ultérieur, au cours duquel la topologie et la symétrie intrinsèques du vortex sont préservées. »

Un contrôle d’une précision remarquable

Le succès de cette approche a été validé à la fois par des simulations informatiques et par des expériences en laboratoire. Le processus a permis d’inverser efficacement la rotation magnétique, c’est-à-dire l’hélicité, des vortex. Pour y parvenir, l’équipe a ajusté avec une grande finesse la puissance du laser et l’intensité du champ magnétique appliqué, afin de maîtriser parfaitement la commutation des vortex.

Les auteurs soulignent cet aspect crucial : « De manière cruciale, la dynamique de commutation de l’hélicité peut être ajustée avec précision en utilisant la fluence du laser et l’intensité du champ magnétique, permettant un contrôle déterministe à stochastique sur les deux états d’hélicité énergétiquement dégénérés ».

Cette maîtrise a été confirmée par la modélisation. « Ce contrôle a été reproduit dans des simulations micromagnétiques lorsque les paramètres ont été optimisés dans une plage physiquement raisonnable », ajoutent les chercheurs. Cette reproductibilité est un gage de la robustesse de leur méthode.

Vers des mémoires et des ordinateurs plus performants

Les premiers résultats obtenus par cette équipe de recherche mettent en lumière l’immense potentiel de leur approche. Ils démontrent qu’il est possible de réaliser une commutation ultrarapide de l’hélicité dans les vortex magnétiques tout en préservant leur structure intacte. À l’avenir, des stratégies similaires pourraient être testées sur une plus large gamme de matériaux magnétiques nano-conçus possédant les propriétés adéquates.

Cette étude pourrait rapidement ouvrir de nouvelles voies pour le développement de divers composants spintroniques à haute efficacité. Parmi les applications envisagées figurent des dispositifs de stockage de données sophistiqués et des ordinateurs neuromorphiques.

Plus spécifiquement, la commutation de l’hélicité des vortex magnétiques pourrait être utilisée pour créer des systèmes spintroniques qui reflètent mieux la structure du cerveau humain. Elle permettrait aussi de concevoir des mémoires multi-états, capables de représenter l’information stockée en utilisant plus que deux valeurs, dépassant ainsi la logique binaire traditionnelle du « 0 » et du « 1 ».

Selon la source : phys.org