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Une mémoire nucléaire pour les ordinateurs du futur ?

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Une pierre de plus pour la construction de l'édifice d'une révolution en cours, celle de la spintronique. Un groupe de physiciens américains et britanniques est parvenu, de façon inédite, à stocker et lire des informations dans les spins des noyaux d'atomes. Cette performance pourrait avoir des implications pour de futurs ordinateurs quantiques.

Les électrons (flèches vertes) circulent dans le semi-conducteur SiP. Ils sont parfois capturés par des atomes de phosphore (flèches bleues) et peuvent transférer de l'information au niveau du spin du noyau de ces atomes (flèches rouges). © Gavin W Morley

L'électronique actuelle utilise la charge des électrons, ou des « trous » dans les semi-conducteurs (des lacunes chargées positivement laissées par le départ d'un électron) pour réaliser les prouesses dont nous sommes coutumiers et qui auraient rempli d'émerveillement et de satisfaction Léonard de Vinci, Descartes ou Archimède.

Depuis quelque temps, les physiciens du solide rêvent de faire mieux grâce à la spintronique. Il ne s'agit plus de seulement manipuler la charge d'une particule mais aussi son moment cinétique intrinsèque, son spin. L'une des démonstrations les plus spectaculaires de la spintronique a été l'application de la découverte des prix Nobel de physique Albert Fert et Peter Grünberg, la magnétorésistance géante, au fonctionnement des têtes de lecture des disques durs de nos ordinateurs.

Une des applications possibles les plus révolutionnaires de la spintronique concernera peut-être sa contribution future à la naissance d'un ordinateur quantique de grande puissance, réalisant certains des espoirs du prix Nobel de physique Richard Feynman

Mais nous n'en sommes pas encore là...

L'électron se comporte comme s'il était une petite toupie en rotation avec un moment cinétique intrinsèque (représenté par la flèche bleue ci-dessus), le spin. La mécanique quantique force ce spin à ne pouvoir exister que sous deux orientations parallèles possibles dans une expérience de mesure : haut et bas. © Lawrence Berkeley National Laboratory

Aujourd'hui, un groupe de chercheurs vient de publier dans Science un article montrant qu'il est possible d'utiliser le spin des électrons pour manipuler le spin de noyaux d'atomes et ainsi de stocker de l'information à l'intérieur de ces objets à une échelle plus petite que celle des domaines magnétiques de nos disques durs.

Ces physiciens du solide ont réussi à stocker et lire des bits d'informations dans un semi-conducteur largement utilisé, le silicium dopé au phosphore SiP (le dopage est dit N, il contient un excès d'électrons qui seront les porteurs de charge pour la conduction).

Une nouvelle façon d'enregistrer de l'information sur les spins nucléaires

Ce n'est pas la première fois que l'on peut stocker de l'information au niveau du spin d'un noyau (l'orientation haut ou bas du spin correspond aux 0 et 1 du binaire). Il y a quelques années, d'autres chercheurs l'avaient fait en manipulant à l'aide d'un laser le spin des électrons d'atomes d'azote constituant des impuretés dans du diamant. Comme il existe un couplage entre le spin de ces électrons et celui des noyaux de carbone 13 constituant jusqu'à 1 % des noyaux du diamant, les chercheurs pouvaient manipuler quelques-uns de ces noyaux et ainsi ouvrir la porte au stockage de l'information quantique à ce niveau.

La nouveauté c'est que l'on utilise maintenant des impulsions électromagnétiques à des fréquences de l'ordre du terahertz (1012 Hz) pour polariser et orienter dans la même direction les spins de tous les électrons de conduction des atomes de phosphore du SiP. Des ondes dans le domaine radio sont ensuite envoyées pour transférer cette information au niveau des spins des noyaux. Le processus est réversible en suivant exactement le même mécanisme et permet donc de retrouver l'information stockée. Le plus remarquable est que l'on peut ainsi conserver cette information 300.000 fois plus longtemps que lors de précédentes expériences de stockage qui ne faisaient intervenir que le spin des électrons.

La performance est intéressante mais il faut refroidir le semi-conducteur à quelques kelvins et le plonger dans un champ magnétique de 8,5 teslas. Clairement, cela reste encore d'une certaine façon une curiosité de laboratoire... 

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