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Bientôt des superordinateurs grâce à la spintronique à supraconducteurs ?

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Les ordinateurs, dans un futur proche, seront sans doute plus performants grâce à la spintronique. Ils pourraient également être bien moins gourmands en énergie si les composants spintroniques sont aussi faits de matériaux supraconducteurs. On pensait généralement que ce n'était pas possible, mais une équipe de chercheurs vient de montrer le contraire en employant une terre rare, l'holmium.

De gauche à droite, John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie quantique dite BCS (en hommage à ces trois prix Nobel de physique) expliquant le comportement des supraconducteurs conventionnels. Le phénomène central à l'origine d'une phase supraconductrice, même pour des matériaux supraconducteurs non conventionnels, est la formation de paires de Cooper, c'est à dire l'association de deux électrons. Le moment cinétique total de chaque paire est la somme des moments cinétiques propres des électrons, c'est-à-dire de leurs spins demi-entiers. © University of Illinois

Une nouvelle électronique est en gestation depuis quelques décennies. L'un de ses domaines actifs de recherche se nomme la spintronique. Avec elle, on ne manipule pas seulement les électrons parce qu'ils possèdent une charge électrique, mais aussi parce qu'ils ont un spin (valant 1/2 en unité de moment cinétique) et un moment magnétique. En effet, la mécanique quantique dote ces particules élémentaires de propriétés qui permettent de les considérer comme des sortes de petites toupies aimantées. Placées dans un champ magnétique, elles peuvent alors s'orienter parallèlement ou antiparallèlement à ce champ. Si l'on adopte une convention pour associer à chacune de ces directions un « 0 » ou un « 1 », on peut en théorie utiliser les électrons pour réaliser des mémoires ou des supports d'opération logique.

La spintronique a déjà bouleversé notre vie de tous les jours. Elle est en effet au cœur du phénomène de magnétorésistance géante (GMR en anglais, pour giant magnetoresistance) exploité par les têtes de lecture des disques durs et a permis la miniaturisation des mémoires magnétiques. On pense que la spintronique recèle le potentiel permettant de créer une nouvelle génération d'ordinateurs encore plus rapides et moins gourmands en énergie. Ce dernier point est d'importance quand on sait que rien qu'en Europe, les centres de traitement de données (data center en anglais) consomment presque 3 % de l'énergie produite.

Des paires de Cooper de spin non nul

Cependant, même des ordinateurs exploitant ces spins dissiperaient une grande partie de l'énergie utilisée sous forme de chaleur, à cause des courants de spin circulant dans les dispositifs électroniques. L'idéal serait d'utiliser des composants mariant les avantages de la spintronique et ceux des matériaux supraconducteurs. Circulant sans résistance, les courants ne dissipent alors plus de chaleur.

Un échantillon très pur d’holmium, élément chimique de symbole Ho et de numéro atomique 67. C'est une terre rare que l'on utilise pour fabriquer des aimants et des supraconducteurs. © Wikimedia Commons, cc by 1.0

Jusqu'à récemment, on pensait que c'était impossible. En effet, ce qui rend un matériau supraconducteur est la formation de paires de Cooper, que ce soit dans un supraconducteur conventionnel ou plus exotique comme les cuprates ou peut-être avec des métamatériaux. Or, dans une paire de Cooper traditionnelle, les spins des électrons sont antiparallèles, valant respectivement +1/2 et -1/2. Comme ces valeurs s'ajoutent, la paire de Cooper se comporte comme une particule chargée de spin nul. Clairement, on ne peut pas faire de la spintronique avec des particules n'ayant pas de spin.

Mais il existe d'autres paires de Cooper qui sont dans ce qu'on appelle un état triplet. Elles possèdent un spin 1, car les électrons sont parallèles. Des physiciens du département de science des matériaux de la célèbre université de Cambridge, où enseignent aussi Stephen Hawking et Michael Green, viennent d'utiliser ces paires de Cooper pour donner une preuve de principe de la compatibilité de la supraconductivité avec de la spintronique.

L’holmium, une terre rare pour la spintronique supraconductrice

Dans l'article qu'ils ont publié dans Nature Communications, les chercheurs expliquent qu'ils ont pour cela employé un métal du groupe des terres rares, l'holmium (son nom dérive de Holmia, pour Stockholm en latin). Il est extrait, comme la plupart des terres rares, de la monazite, qui en contient environ 0,05 %, et il possède le moment magnétique le plus élevé de tous les éléments. L'holmium a été utilisé dans le sandwich de couches de matériaux magnétiques et non magnétiques habituel en spintronique, mais conçu cette fois-ci pour exhiber une phase supraconductrice à basse température. Les physiciens ont montré que grâce à l'holmium, des paires de Cooper de spin non nul, en l'occurrence entier, se formaient et pouvaient être manipulées. Il leur reste cependant à montrer que l'on peut effectivement fabriquer des mémoires magnétiques de cette façon et à trouver la combinaison optimale de matériaux pour que ces mémoires soient vraiment supérieures à celles que l'on sait déjà faire.

En tout état de cause, le terme de spintronique supraconductrice n'est plus un oxymoron. Lorsqu'on sait aussi que la spintronique est pertinente pour la réalisation d'ordinateurs quantiques et qu'une des voies de recherche pour ces ordinateurs utilise des circuits supraconducteurs, on peut penser que la spintronique supraconductrice est vouée à un bel avenir. Seule ombre au tableau, l'holmium, contrairement aux autres terres rares, mérite bien sa désignation et son prix est élevé, comparable à celui de l'or.

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