Les nœuds magnétiques poussent l’informatique du futur vers la 3D

Les nœuds dans les matériaux magnétiques peuvent ouvrir une nouvelle direction aux architectures informatiques de nouvelle génération. À cette fin, les chercheurs ont créé un nouveau nœud magnétique qui ressemble à une petite version magnétisée d’une torsion de cannelle. Et ce même nœud magnétique intégré dans un matériau magnétique, un peu comme un trou électronique est intégré dans un réseau semi-conducteur, pourrait être l’un des facteurs qui brisent le plat 2D dans lequel l’informatique d’aujourd’hui est coincée.

En mathématiques, le domaine de la topologie traite des formes et des trous dans le ballon de basket, sans trous, est topologiquement identique à un ballon de football, mais distinct d’un cerceau, avec un trou. Les propriétés topologiques sont remarquables par leur robustesse : on ne peut pas transformer un ballon de football en cerceau sans lui faire violence. Dans les matériaux réels, la topologie peut être utilisée pour décrire la forme de la magnétisation. Lorsque les moments magnétiques à l’intérieur d’un cristal se tordent en nœuds topologiquement complexes, ils ne peuvent pas être facilement déroulés, ce qui les rend souhaitables en tant que supports potentiels très stables d’informations ou de stockage de données. Aujourd’hui, des chercheurs allemands, chinois et suédois ont créé un nouveau nœud magnétique à l’intérieur d’un matériau qui, contrairement aux précédentes torsions topologiques, peut se déplacer dans les trois dimensions.

Si nous regardons vers l’avenir, très probablement pour rendre nos appareils les plus efficaces, nous devrons à un moment donné nous tourner vers une architecture tridimensionnelle. Et c’est là que la découverte que nous avons faite dans notre article pourrait s’avérer utile.
Nikolai Kiselev, Institut Peter Grnberg, Jlich, Allemagne

Au cours des dernières décennies, l’électronique s’est essentiellement développée selon le paradigme des systèmes bidimensionnels, explique Nikolai Kiselev, chercheur à l’Institut Peter Grnberg de Jlich, en Allemagne. Ce qui, d’un certain point de vue, est tout à fait raisonnable, car technologiquement, il est beaucoup plus facile de fabriquer et d’entretenir de tels appareils. Mais si nous regardons vers l’avenir, très probablement pour rendre nos appareils les plus efficaces, nous devrons à un moment donné nous tourner vers une architecture tridimensionnelle. Et c’est là que la découverte que nous avons faite dans notre article pourrait s’avérer utile.

La découverte qu’ils ont faite a été une surprise, dit Kiselev, même si lui et ses collaborateurs étudient les torsions magnétiques à l’intérieur des matériaux depuis des décennies. Une telle excitation topologique, appelée skyrmion, a été observée dans plusieurs matériaux. Les skyrmions apparaissent dans des disques de certains matériaux lorsqu’ils sont percés par des champs magnétiques. Ils s’apparentent à des tourbillons dans les moments magnétiques des atomes de l’échantillon, allant du bas du disque vers le haut, comme une corde en spirale qui ne peut être déroulée. Ceux-ci ont également attiré l’attention pour leur potentiel informatique. Mais, en raison de leur nature semblable à des cordes, ils ne peuvent se déplacer que dans deux dimensions.

L’équipe voulait créer quelque chose connu sous le nom de skyrmion baga cylindrique avec un trou au milieu qui pourrait s’enrouler autour d’autres skyrmions réguliers. Au lieu de cela, ils ont créé autre chose, entièrement un hopfion. Au lieu de s’étendre de haut en bas d’un échantillon, les hopfions se referment sur eux-mêmes, comme un tourbillon transversal qui s’enroule sur lui-même pour former un beignet. En raison de leur structure, les hopfions peuvent se déplacer non seulement à gauche et à droite, mais aussi de haut en bas. Les hopfions ont été prédits théoriquement, mais ils n’ont été créés que dans un seul matériau synthétique spécialisé. C’était la première fois qu’ils apparaissaient dans un cristal ordinaire.

Les chercheurs ont découvert des structures magnétiques dans un cristal de fer germanium appelées skyrmions, comprenant un objet intrinsèquement 3D appelé hopfion, entourant trois skyrmions (à droite).Jlich/Centre de recherche sur la nature

Le cristal était du fer germanium, choisi en raison de sa combinaison souhaitable de deux propriétés. D’une part, les atomes à l’intérieur du fer germanium ont des moments magnétiques qui ont tendance à vouloir s’aligner sur leurs voisins. D’un autre côté, la structure du cristal elle-même motive les moments magnétiques à tourner par rapport à leurs voisins. L’interaction de ces deux effets permet aux nœuds magnétiques intéressants d’apparaître dans différentes conditions.

Le simple fait de soumettre le fer germanium à un champ magnétique donne naissance à des skyrmions dans le matériau. Cependant, pour obtenir le hopfion, l’équipe a dû effectuer une gymnastique magnétique minutieuse. Ils ont activé un petit champ magnétique pointant vers le haut, puis sont passés à un champ encore plus petit pointant vers le bas, puis à nouveau vers le haut, augmentant jusqu’à sa valeur d’origine. Le résultat n’était pas le sac de skyrmions attendu, mais un anneau de hopfions en 3D, entourant plusieurs skyrmions.

Étant donné que les skyrmions sont très petits par rapport aux dispositifs de mémoire traditionnels, les torsions magnétiques pourraient également devenir la base d’un dispositif de mémoire à très haute densité.

Il peut être difficile de comprendre un nœud de hopfion, mais ils se comportent essentiellement comme s’il s’agissait de particules, conservant leur forme étrange lorsqu’elles se déplacent dans un matériau. Kiselev dit qu’ils peuvent être stimulés pour monter et descendre le long des cordes du skyrmion sans aucune perte d’énergie. Et les skyrmions peuvent être amenés à se déplacer dans deux dimensions, entraînant le hopfion avec eux.

Les Skyrmions ont été proposés comme dispositifs de mémoire dans une architecture dite de piste de course. En déplaçant le skyrmion d’un bord à l’autre de la piste de course, une seule information pourrait être stockée et transportée. Étant donné que les skyrmions sont très petits par rapport aux dispositifs de mémoire traditionnels, les torsions magnétiques pourraient également devenir la base d’un dispositif de mémoire à très haute densité. D’autres propositions incluent l’utilisation d’une heure d’arrivée des skyrmions à une porte particulière pour coder simultanément plusieurs bits d’information, ce qui pourrait potentiellement être utile pour l’informatique neuromorphique. Étant donné que les hopfions se déplacent en 3D, ils pourraient potentiellement coder plusieurs bits d’informations sur leur emplacement ou leurs heures d’arrivée sur plusieurs axes. De plus, les hopfions peuvent ne pas être soumis aux mêmes inconvénients techniques que les skyrmions.

L’une des raisons pour lesquelles nous avons du mal à intégrer les skyrmions dans les applications technologiques est due à l’effet Hall du skyrmion, explique Hanu Arava, un scientifique du Laboratoire national Argon qui n’a pas participé aux travaux. Cet effet rend très difficile le déplacement des skyrmions en ligne droite. Un tel effet n’est pas attendu dans les hopfions, ce qui signifie que nous pouvons envoyer un Hopfion d’un point A à B en lignes droites. Ainsi, on peut imaginer un nouveau calcul inspiré du cerveau qui pourrait nécessiter qu’un Hopfion se déplace d’un endroit à un autre.

Bien que les hopfions se déplacent facilement, d’autres aspects de leur potentiel informatique restent incertains. L’équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission pour imager le hopfion, et mesurer plus efficacement son emplacement constitue un problème majeur. L’équipe dit qu’elle prévoit d’examiner comment ces objets réagissent au courant électrique, ce qui pourrait aider à les détecter et à les suivre. De plus, des détails précis sur la manière exacte dont les hopfions pourraient coder les informations restent une question ouverte.

Cela dit, ajoute Kiselev, de nombreuses questions comme celle-ci n’ont pas encore de réponse parce qu’il n’y a aucune raison de les poser. Nous n’avions même pas pensé à ce genre d’objet auparavant, c’est très, très frais et dans une certaine mesure aussi très surprenant pour nous, et plein de mystères et de questions inconnues. Arava est d’accord : il faut considérer le résultat comme une première étape, car il y a tellement de questions ouvertes. Cependant, cette découverte ouvre le monde des objets magnétiques 3D.

Les chercheurs ont publié leurs travaux le mois dernier dans la revue Nature.

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