Les appareils électroniques tels que les transistors sont de plus en plus petits et atteindront bientôt les limites des performances conventionnelles basées sur les courants électriques.

Les dispositifs basés sur les courants magnoniques – des quasi-particules associées aux ondes de magnétisation, ou ondes de spin, de certains matériaux magnétiques – transformeraient l’industrie, mais les scientifiques doivent mieux comprendre comment les contrôler.

Les ingénieurs de l’Université de Californie, Riverside, ont fait un pas important vers le développement de dispositifs magnoniques pratiques en étudiant, pour la première fois, le niveau de bruit associé à la propagation du courant magnonique.

Le bruit, ou les fluctuations du débit d’un courant, est une mesure importante pour déterminer si un appareil électronique convient à des applications pratiques. Parce que le bruit interfère avec les performances d’un appareil, une meilleure compréhension de la façon dont les magnons sont bruyants aidera les ingénieurs à développer de meilleurs appareils.

Toute l’électronique existante est basée sur des conducteurs d’électricité tels que des métaux ou des semi-conducteurs. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent dans ces matériaux, ils se dispersent, ce qui entraîne une résistance électrique, un échauffement et une dissipation d’énergie.

Lorsque le courant traverse un fil ou un semi-conducteur, l’inévitable échauffement provoque une perte d’énergie. Les appareils plus petits et les puces ayant une densité plus élevée de transistors accélèrent la perte d’énergie due à la chaleur. Les appareils utilisant des courants électroniques conventionnels sont presque au point où ils ne peuvent plus être réduits.

Une nouvelle classe de matériaux possède des propriétés magnétiques qui proviennent de la rotation, une sorte d’élan inné. Les « morceaux » individuels, ou unités d’ondes de spin, sont appelés magnons. Les magnons ne sont pas de vraies particules comme les électrons, mais ils se comportent comme des particules et peuvent être traités comme telles.

Une vague d’énergie appelée onde de rotation (onde de spin) peut se déplacer à travers un matériau électriquement isolant pour transmettre de l’énergie sans déplacer d’électrons – comme les gens qui font la ola dans un stade. Cela signifie que les magnons peuvent se propager sans générer beaucoup de chaleur et sans perdre beaucoup d’énergie.

Un nouveau domaine de l’électronique appelé la magnonique tente de créer des dispositifs pour le traitement et le stockage de l’information, ainsi que des applications sensorielles, en utilisant des courants de magnons au lieu d’électrons. Alors que le bruit des électrons est connu depuis longtemps, personne n’a étudié le bruit des magnons – jusqu’à présent.

Dispositif expérimental pour la génération d’un courant magnonique. Une puce qui génère un courant magnonique, ou onde de spin, entre les antennes d’émission et de réception. Crédit : Balandin Lab

Une équipe dirigée par Alexander Balandin, professeur émérite de génie électrique et informatique au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering de UC Riverside, a créé une puce qui a généré un courant magnonique, ou onde de spin, entre les antennes d’émission et de réception.

Les expériences ont révélé que les magnons ne sont pas si bruyants à faible puissance. Mais à des niveaux de puissance élevés, le bruit est devenu inhabituel, dominé par de grandes fluctuations que les chercheurs appellent le bruit du signal télégraphique aléatoire qui interférerait avec la performance d’un appareil. Le bruit était sensiblement différent de celui produit par les électrons et identifie les limitations sur la façon de construire des dispositifs magnoniques.

« Les appareils magnoniques devraient fonctionner de préférence avec des niveaux de puissance faibles « , a déclaré Alexander Balandin. « On peut dire que le bruit des magnons est discret à faible puissance mais devient élevé et discret à un certain seuil de puissance. Ceci constitue le charme discret des dispositifs magnoniques. Nos résultats nous disent aussi les stratégies possibles pour maintenir le niveau de bruit bas. »

La découverte de caractéristiques de bruit inhabituelles entraverait-elle le développement de dispositifs magnoniques ?

« Non, l’objectif du traitement de l’information est de passer à une faible consommation d’énergie « , précise Alexander Balandin.

Pour l’instant, le groupe de recherche mène des expériences avec des composants génériques afin d’en comprendre les fondamentaux. Leurs premiers dispositifs expérimentaux sont relativement grands. Ils prévoient d’étudier les mécanismes physiques du bruit des magnons et de tester une version sensiblement réduite de ces dispositifs.

https://news.ucr.edu/articles/2019/03/04/magnonic-devices-can-replace-electronics-without-much-noise