Contrôler pour la première fois les ondes dans des aimants avec des supraconducteurs

Substitut économe en énergie

“Les ondes de spin sont des ondes présentes dans un matériau magnétique que nous pouvons utiliser pour transmettre des informations”, explique Michael Borst, qui a dirigé l’expérience. “Parce que les ondes de spin peuvent constituer un élément de base prometteur pour un remplacement économe en énergie de l’électronique, les scientifiques recherchent depuis des années un moyen efficace de contrôler et de manipuler les ondes de spin.”

La théorie prédit que les électrodes métalliques permettent de contrôler les ondes de spin, mais les physiciens ont à peine constaté de tels effets dans les expériences jusqu’à présent. “La percée de notre équipe de recherche est que nous montrons que nous pouvons effectivement contrôler correctement les ondes de spin si nous utilisons une électrode supraconductrice”, explique Toeno van der Sar, professeur agrégé au Département de nanoscience quantique.

Miroir supraconducteur

Son fonctionnement est le suivant : une onde de spin génère un champ magnétique qui à son tour génère un supercourant dans le supraconducteur. Ce supercourant agit comme un miroir pour l’onde de spin : l’électrode supraconductrice réfléchit le champ magnétique vers l’onde de spin. Le miroir supraconducteur provoque un mouvement ascendant et descendant plus lent des ondes de spin, ce qui rend les ondes facilement contrôlables. Borst : “Lorsque les ondes de spin passent sous l’électrode supraconductrice, il s’avère que leur longueur d’onde change complètement ! Et en faisant légèrement varier la température de l’électrode, nous pouvons régler très précisément l’ampleur du changement.”

“Nous avons commencé avec une fine couche magnétique de grenat d’yttrium et de fer (YIG), connu comme le meilleur aimant sur Terre. Par-dessus, nous avons posé une électrode supraconductrice et une autre électrode pour induire les ondes de spin. En refroidissant à -268 degrés, nous avons a mis l’électrode dans un état supraconducteur”, explique Van der Sar. “C’était incroyable de voir que les ondes de spin devenaient de plus en plus lentes à mesure qu’il faisait plus froid. Cela nous donne une poignée unique pour manipuler les ondes de spin ; nous pouvons les dévier, les réfléchir, les faire résonner et bien plus encore. Mais cela nous donne aussi de nouvelles connaissances formidables sur les propriétés des supraconducteurs.

Capteur unique

Les chercheurs ont photographié les ondes de spin en mesurant leur champ magnétique avec un capteur unique, élément essentiel à l’expérience. Van der Sar : “Nous utilisons les électrons du diamant comme capteurs des champs magnétiques des ondes de spin. Notre laboratoire est le pionnier de cette technique. Ce qui est intéressant, c’est que nous pouvons regarder à travers le supraconducteur opaque au niveau des ondes de spin en dessous, tout comme un scanner IRM peut regarder à travers la peau dans le corps de quelqu’un.

Nouveaux circuits

“La technologie des ondes de spin en est encore à ses balbutiements”, explique Borst. “Par exemple, pour fabriquer des ordinateurs économes en énergie avec cette technologie, nous devons d’abord commencer à construire de petits circuits pour effectuer des calculs. Notre découverte ouvre une porte : les électrodes supraconductrices permettent d’innombrables circuits à ondes de spin nouveaux et économes en énergie.”

“Nous pouvons désormais concevoir des dispositifs basés sur des ondes de spin et des supraconducteurs qui produisent peu d’ondes thermiques et sonores”, ajoute Van der Sar. “Pensez à la version spintronique des filtres de fréquence ou des résonateurs, des composants que l’on retrouve par exemple dans les circuits électroniques des téléphones portables. Ou des circuits qui peuvent servir de transistors ou de connecteurs entre qubits dans un ordinateur quantique.”