Rayons X : des ondes de spin durables dans l'oxyde de cuivre

Une impulsion laser ne dure que quelques femtosecondes, des quadrillièmes de seconde, et pendant ce bref éclair, elle fait basculer les spins d'un cristal d'oxyde de cuivre, rangée après rangée. À l'Institut Paul Scherrer (PSI), en Suisse, l'équipe de Hiroki Ueda frappe ensuite le même échantillon avec un second éclair, une impulsion de rayons X très brillante produite par un laser à électrons libres de l'installation SwissFEL. Ce qu'elle enregistre, c'est la durée de vie des ondes ainsi générées.

L'intérêt de cette recherche tient aux limites des ordinateurs actuels. Les puces en silicium atteignent leurs limites physiques : on ne peut pas réduire indéfiniment la taille des composants, ni augmenter indéfiniment les fréquences d'horloge. Dans une puce classique, les électrons traversent le matériau, ce qui provoque des pertes de puissance et dégage de la chaleur perdue. L'alternative étudiée ici, la spintronique, laisse les électrons en place et transporte l'information par des ondes de spin, un peu comme la « ola » dans un stade, où les spectateurs restent assis et seuls leurs bras bougent. Ces ondes sont composées de magnons, des excitations collectives de spin qui se comportent comme des quasi-particules : elles possèdent une énergie et une impulsion bien définies, sans être pour autant de véritables particules.

Le calendrier constitue la nouveauté. L'équipe a suivi les magnons en trois étapes. En quelques femtosecondes, le laser excite les électrons, et les spins commencent à basculer ensemble. Sur quelques picosecondes, des billièmes de milliardième de seconde, les magnons entrent en collision et forment ce que l'équipe de Ueda décrit comme des ondes incohérentes, semblables à une mer agitée. Puis, dans l'ordre de la nanoseconde, soit le milliardième de seconde, les magnons transfèrent leur énergie aux vibrations des atomes du réseau, appelées phonons. Cette dernière étape survient trois ordres de grandeur après la précédente. Romaguera a déclaré que l'équipe avait été surprise par la durée de ce transfert, compte tenu du couplage très fort entre le magnétisme et le réseau dans l'oxyde de cuivre.

Le résultat repose sur une combinaison de méthodes. L'équipe a utilisé la technique pompe-sonde, en faisant varier le délai entre l'impulsion laser et l'impulsion de rayons X pour construire une suite d'instantanés, et elle a ajouté une nouvelle technique de rayons X à deux techniques déjà éprouvées. Jusqu'ici, chaque méthode ne captait qu'une partie du tableau, si bien que personne ne disposait d'un récit cohérent de ces interactions. Selon l'équipe de Ueda, la relation entre magnons et phonons, qui dépend de la manière dont l'impulsion et l'énergie se rapportent dans chaque excitation, contrôle l'efficacité avec laquelle l'énergie quitte les magnons. Cela suggère que des matériaux pourraient être conçus pour ajuster cette durée de vie. Il ne s'agit toutefois que de constats portant sur un seul échantillon d'oxyde de cuivre, en laboratoire. Aucun composant logique n'a encore été construit ni testé à partir de ces résultats.

Pour les ingénieurs qui travaillent sur l'informatique au-delà du silicium, le message est celui d'une fenêtre temporelle exploitable. Si les magnons conservent leur énergie assez longtemps, un dispositif pourrait en principe les manipuler avant qu'elle ne se dissipe, ce qui constitue la condition pour effectuer et contrôler des opérations logiques avec des ondes de spin. L'équipe ne donne pas de date pour cette étape et n'a décrit ni prototype, ni matériau pouvant être fabriqué à grande échelle, ni coût. Ce qu'elle a montré, c'est que la physique même de l'onde offre à un tel dispositif une base de travail.