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Les ordinateurs qui stockent vos données ont tous un point commun. Il s’agit de la technologie CMOS: une puce semiconductrice qui conserve et traite les informations. Jusqu’à présent, une plus grande puissance de calcul impliquait simplement davantage de puces plus petites. Mais alors que nous parvenons tout doucement à une impasse en ce qui concerne la mise à l’échelle, les ingénieurs n’ont eu d’autre choix que d’envisager des concepts alternatifs pour remplacer la CMOS.
Les ondes de spin (OS) représentent l’un de ces concepts, et le projet SWING entend matérialiser leur potentiel de calcul. «Notre projet vient en réponse aux limites de l’une des principales alternatives à la CMOS: l’informatique par ondes optiques/analogiques. Cette dernière écarte la numérisation pour privilégier des signaux et des phénomènes analogiques typiques des ondes, mais elle comporte un inconvénient important: la miniaturisation est difficile et limitée par la longueur d’onde optique», déclare Riccardo Bertacco, professeur de physique à Politecnico Milano et coordinateur de SWING.
En troquant les ondes optiques pour des OS, Riccardo Bertacco et le boursier Marie Skłodowska-Curie Edoardo Albisetti espèrent contourner ce problème. Comme le souligne Edoardo Albisetti, «les ondes de spin ont un grand avantage. Leur longueur d’onde est bien inférieure à celle des ondes électromagnétiques, atteignant des valeurs de l’ordre du dixième de nanomètre dans la bande des GHz. C’est un ordre de grandeur inférieur aux longueurs d’ondes optiques. Cela permet de réaliser des dispositifs intégrés compatibles avec la CMOS à l’échelle submicronique pour l’informatique par les ondes.»
Les ondes de spin franchissent les parois de domaine
En principe, les OS propagent des perturbations dans l’alignement des spins dans les matériaux magnétiques. En plus de leur avantage inhérent, elles se comportent de manière similaire aux ondes électromagnétiques. Leurs excitations magnétiques peuvent servir dans des applications de calcul et de mémoire, et Edoardo Albisetti a déjà fait avec succès la démonstration d’une plateforme qui les utilise à des fins de calcul analogique.
«Nous sommes parvenus à trois réalisations essentielles», explique Edoardo Albisetti. «Premièrement, nous avons pu utiliser une nouvelle technique appelée lithographie par sonde à balayage magnétique assistée thermiquement (tam-SPL) pour réaliser des blocs magnoniques capables de contrôler les ondes de spin. Ensuite, nous avons démontré l’utilisation des parois de domaines magnétiques (les lignes séparant deux portions d’un film magnétique ayant une magnétisation uniforme différente) comme des circuits pour la propagation et l’interaction des ondes de spin. Enfin, nous avons testé des parois de domaines brevetées de différentes formes (linéaires, convexes, concaves, etc.) pour créer notre plateforme pour le calcul analogique.»
Edoardo Albisetti a inventé la technique tam-SPL, qui est essentielle aux autres réalisations du projet, alors qu’il a passé six mois de sa thèse de doctorat à travailler avec Elisa Riedo à Georgia Tech, aux États-Unis. Comme le souligne Riccardo Bertacco: «Le projet Marie Skłodowska-Curie a été conçu avec l’idée d’exploiter cette collaboration. Lorsque Elisa Riedo a rejoint le CUNY Advanced Science Research Centre, nous voulions utiliser cette instrumentation de pointe pour continuer à développer la tam-SPL. Nous cherchions également à l’appliquer à la validation de principe de nouveaux dispositifs basés sur les ondes de spin pour l’informatique par les ondes.»
Enfin, le concept du projet visant à utiliser les parois de domaines comme conduits pour la propagation des OS ou comme sources locales pour la génération de fronts d’onde pourrait servir pour créer des circuits à partir de ces parois de domaine. Cela pourrait servir d’équivalent aux guides d’ondes optiques dans l’optique intégrée (résonateurs, interféromètres, etc.), ainsi qu’aux dispositifs pour le traitement de signaux analogiques (filtres, analyseurs de spectre, etc.) basés sur l’interférence des fronts d’onde OS.
«Nos résultats offrent un éventail de possibilités que nous commençons seulement à examiner», conclut Edoardo Albisetti. «Nous ciblons notamment deux défis intéressants: étudier l’interaction des ondes de spin avec des textures de spin plus complexes et étendre l’applicabilité de la tam-SPL à différents systèmes magnétiques ayant des applications dans le domaine de la spintronique.»
Edoardo Albisetti a récemment reçu une subvention de démarrage du Conseil européen de la recherche (CER) pour le projet B3YOND qui ciblera la démonstration d’un nouveau concept de nanofabrication basé sur la technique tam-SPL.