Les magnons pourraient transporter des informations beaucoup plus facilement que les conducteurs électriques


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  • Tout comme les électrons traversent un conducteur électrique, les excitations magnétiques peuvent traverser certains matériaux. De telles excitations, connues en physique sous le nom de « magnons » par analogie avec l’électron, pourraient transporter l’information beaucoup plus facilement que les conducteurs électriques. Une équipe de recherche internationale vient de faire une découverte importante sur la voie de tels composants, qui pourraient être très économes en énergie et considérablement plus petits.

    A l’heure actuelle, le transport et le contrôle des charges électriques sont à la base de la plupart des composants électroniques. Un inconvénient majeur de cette technologie est que la circulation des courants électriques génère de la chaleur en raison de la résistance électrique. Compte tenu du nombre gargantuesque de composants électroniques utilisés dans le monde, la perte d’énergie est immense.

    Une alternative économe en énergie peut être l’utilisation d’ondes de spin pour transporter et traiter l’information, car elles ne produisent pas autant de chaleur perdue. De tels composants pourraient également être beaucoup plus compacts. Les scientifiques du monde entier recherchent donc des matériaux dans lesquels les ondes de spin magnétiques peuvent être utilisées pour transporter des informations.

    Un consortium de recherche international avec une participation importante de l’Université technique de Munich (TUM) vient de franchir une étape importante dans cette recherche. Leurs observations d’ondes de spin sur des trajectoires circulaires dans certains matériaux magnétiques pourraient également représenter une percée pour les technologies quantiques qui utilisent les ondes pour transporter l’information.

    Propagation des ondes magnétiques dans les matériaux

    Lorsque vous jetez une pierre dans l’eau, vous amenez les molécules d’eau hors de leur position d’équilibre. Ils commencent à osciller et une onde circulaire se propage. De manière très similaire, les moments magnétiques de certains matériaux peuvent être amenés à osciller. Dans ce processus, le moment magnétique effectue un mouvement gyroscopique par rapport à sa position de repos. La précession d’un moment affecte la vibration de son voisin, et ainsi l’onde se propage.

    Pour les applications utilisant ces ondes magnétiques, il est important de contrôler des propriétés telles que la longueur d’onde ou la direction. Dans les ferromagnétiques conventionnels – dans lesquels les moments magnétiques pointent tous dans la même direction – les ondes magnétiques se propagent généralement en ligne droite.

    La propagation de telles ondes est tout à fait différente dans une nouvelle classe de matériaux magnétiques, qui, comme une boîte de spaghettis crus, consistent en un agencement serré de tubes vortex magnétiques. Cet ordre magnétique a été découvert il y a près de quinze ans par une équipe dirigée par Christian Pfleiderer et Peter Böni à l’Université technique de Munich à l’aide d’expériences neutroniques.

    En raison de leurs propriétés topologiques non triviales et en reconnaissance des développements théoriques et mathématiques du physicien nucléaire britannique Tony Skyrme, ces tubes vortex sont connus sous le nom de skyrmions.

    Propagation des ondes magnétiques sur une trajectoire circulaire

    Comme les neutrons sont porteurs d’un moment magnétique, ils sont particulièrement bien adaptés à l’étude des matériaux magnétiques. Comme une aiguille de boussole, ils réagissent avec sensibilité aux champs magnétiques. La diffusion neutronique s’est avérée être la seule technique capable de détecter les ondes de spin sur des orbites circulaires car elle fournit la résolution requise sur de très grandes échelles de longueur et de temps.

    En utilisant la diffusion de neutrons polarisés, Tobias Weber et son équipe de l’Institut Laue Langevin (ILL) à Grenoble, France ont maintenant prouvé que la propagation des ondes magnétiques perpendiculaires à ces skyrmions ne se produit pas en ligne droite, mais plutôt sur une trajectoire circulaire.

    La raison en est que la direction des moments magnétiques voisins, et donc la direction de l’axe autour duquel se produit le mouvement de précession, change continuellement perpendiculairement au tube vortex magnétique. De manière analogue, lorsque le mouvement de précession se propage d’un moment magnétique à l’autre, la direction de propagation change également de manière continue. Le rayon et la direction du trajet circulaire de la direction de propagation des ondes de spin dépendent de la force et de la direction de l’inclinaison des moments magnétiques.

    Quantification des orbites circulaires

    « Mais il y a encore plus », explique Markus Garst de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), qui avait développé la description théorique des ondes de spin dans les skyrmions et leur couplage aux neutrons il y a quelque temps. « Il existe une analogie étroite entre la propagation circulaire des ondes de spin perpendiculaires à un réseau de skyrmions et le mouvement d’un électron perpendiculaire à un champ magnétique provoqué par la force de Lorentz. »

    A très basse température, lorsque les orbites circulaires sont fermées, leur énergie est quantifiée. Prédit il y a presque cent ans par le physicien russe Lev Landau, bien connu pour les électrons, ce phénomène est appelé quantification de Landau. Par analogie, l’influence du caractère vortex des skyrmions sur les ondes de spin peut être interprétée avec élégance comme un champ magnétique fictif. En d’autres termes, l’interaction très compliquée des ondes de spin avec la structure du skyrmion est en fait très simple et peut être décrite comme le mouvement des électrons transversalement à un champ magnétique réel.

    De plus, la propagation des ondes de spin perpendiculaires aux skyrmions affiche également une quantification des orbites circulaires. L’énergie caractéristique de l’onde de spin est ainsi également quantifiée, ce qui ouvre la porte à de toutes nouvelles applications. De plus, l’orbite circulaire porte une torsion subtile, quelque peu similaire à une soi-disant bande de Möbius. Il est topologiquement non trivial : la torsion ne peut être supprimée qu’en coupant et en reconnectant la bande. Tout cela conduit à un mouvement d’onde de spin particulièrement stable.

    Coopération internationale réussie

    « La détermination expérimentale des ondes de spin dans les réseaux de skyrmions a nécessité à la fois une combinaison de spectromètres à neutrons de pointe et une avancée massive du logiciel pour interpréter les données », explique Peter Böni, physicien du TUM.

    L’équipe de recherche a utilisé des instruments de l’Institut Laue-Langevin en France, la source de spallation SINQ de l’Institut suisse Paul Scherrer, la source britannique de neutrons et de muons ISIS et la source de recherche de neutrons Heim Maier-Leibnitz (FRM II) de l’Université technique. de Munich. D’autres travaux sur la théorie et l’analyse des données ont été menés au Laboratoire national américain de Los Alamos et à l’Institut de technologie de Karlsruhe.

    Marc Janoschek, qui travaille maintenant à l’Institut Paul Scherrer, souligne : « C’est tout simplement formidable de voir qu’après d’innombrables expériences sur des spectromètres de renommée mondiale et la clarification des principaux défis expérimentaux et théoriques pendant mon séjour à Los Alamos, la détection microscopique de la quantification Landau sur la ligne de lumière unique au monde RESEDA au FRM II de TUM à Garching ferme un cercle qui a commencé il y a près de quinze ans avec mes premières mesures au Heinz Maier-Leibnitz Zentrum à Garching. »

    Cependant, le mouvement des ondes de spin sur des orbites circulaires, qui sont quantifiées pour démarrer, est une percée non seulement du point de vue de la recherche fondamentale. Christian Pfleiderer, directeur général du nouveau Center for QuantumEngineering de la TUM, souligne : « Le mouvement spontané des ondes de spin sur des orbites circulaires, dont le rayon et la direction découlent de la structure en forme de vortex des skyrmions, ouvre une nouvelle perspective pour la réalisation fonctionnelle des dispositifs de traitement de l’information dans les technologies quantiques, tels que de simples coupleurs entre qubits dans les ordinateurs quantiques. »

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