Utiliser des lasers pour magnétiser des substances non magnétiques pourrait transformer les ordinateurs modernes

L’informatique quantique possède un énorme potentiel. Elle pourrait transformer complètement les industries et changer notre façon de comprendre l’univers. En combinant les principes de la mécanique quantique avec l’informatique, l’informatique quantique permet de résoudre facilement des problèmes complexes en traitant d’énormes quantités de données en parallèle et en explorant de multiples solutions. 

De cette façon, les ordinateurs quantiques peuvent aider à la découverte de médicaments, à la modélisation climatique, à l’amélioration des capacités de l’IA et à la résolution de problèmes d’optimisation. Ils ont également un potentiel en cybersécurité en cassant les méthodes de chiffrement existantes et en créant des systèmes de chiffrement quantique incassables.

Au fil des années, nous avons réalisé des progrès significatifs en informatique quantique, notamment la suprématie quantique, les codes de correction d’erreurs et les ordinateurs quantiques basés sur le cloud. Cependant, ces avancées ont été largement limitées aux températures extrêmement froides des laboratoires, ce qui pourrait bientôt changer. 

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut nordique de physique théorique (NORDITA), une collaboration entre les cinq pays nordiques, l’Université de Stockholm et l’Université Ca’ Foscari de Venise, ont démontré avec succès un comportement quantique à température ambiante en utilisant la lumière laser. Pour la première fois, la lumière laser a pu rendre magnétiques des matériaux non magnétiques.

Cela revêt une importance capitale car le magnétisme joue un rôle clé dans le fonctionnement d’un ordinateur. La mémoire d’ordinateur utilise de petits électroaimants magnétisés par tension pour permettre les états binaires « on » ou « off ». La façon dont les atomes et les électrons réagissent aux champs magnétiques permet aux appareils électroniques de lire, écrire et manipuler les données.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont montré comment l’exposition d’un matériau non magnétique à un rayonnement laser haute fréquence peut produire un effet magnétique à température ambiante.

La nouvelle percée a le potentiel d’ouvrir la voie à des ordinateurs, des transferts d’information et des stockages de données plus économes en énergie et plus rapides. Elle montre un potentiel incroyable pour révolutionner l’électronique, en particulier les machines construites avec la technologie quantique, qui fonctionnent généralement à des températures proches du zéro absolu (-273 degrés Celsius).

Rendre les matériaux non magnétiques magnétiques

Dans la dernière étude, les chercheurs ont utilisé le titanate de strontium (SrTiO₃), un oxyde de strontium (Sr) très réactif chimiquement et de titane (Ti) léger. À la température habitable pour l’homme, il possède une structure pérovskite et est connu pour sa constante diélectrique élevée.

Ce matériau a été soumis à la lumière d’un laser haute fréquence, qui a agité les atomes et les a mobilisés. Cela a généré des courants électriques à l’intérieur du titanate de strontium, le rendant magnétique.

En parlant de la nouveauté de leur méthode, l’auteur principal de l’étude, Stefano Bonetti, physicien à l’Université de Stockholm et à Ca’ Foscari, a déclaré que c’était:

« Dans le concept de laisser la lumière déplacer les atomes et les électrons de ce matériau en un mouvement circulaire, afin de générer des courants qui le rendent aussi magnétique qu’un aimant de réfrigérateur. »

Rendre un matériau non magnétique magnétique n’est pas une nouveauté, cependant. Cela a déjà été prédit et étudié. 

En 2015, Nature a publié une recherche qui a découvert que le cuivre et le manganèse, deux métaux non magnétiques courants, peuvent être transformés en aimants en combinant des films minces de ces métaux avec des molécules organiques à base de carbone. Bien que les résultats aient été obtenus à température ambiante, le magnétisme était faible et s’est estompé après quelques jours.

Cette expérience était basée sur une théorie des années 1930 du physicien théoricien Edmund Stoner de l’Université de Leeds, qui a étudié ce qui rend possible la magnétisation d’un élément.

En 2020, une équipe de recherche a également pu modifier des matériaux oxydes non magnétiques et les rendre magnétiques grâce à une croissance contrôlée couche par couche de chaque matériau. La même année, une autre équipe de chercheurs a utilisé l’électricité pour activer le magnétisme dans la pyrite ou le sulfure de fer non magnétique. La technique utilisée dans cette étude était le gating électrolytique, qui consistait à mettre la pyrite en contact avec un électrolyte (liquide ionique) puis à appliquer un volt d’électricité qui déplaçait les molécules chargées positivement et créait une force magnétique mesurable. Dans ce cas, couper l’alimentation électrique a également fait disparaître le magnétisme.

L’utilisation de la lumière pour modifier les propriétés d’un matériau suscite également depuis un certain temps une attention scientifique considérable.

Le fait est que les aimants et le champ magnétique sont généralement générés par des courants circulants. En 2019, des physiciens ont illuminé des disques métalliques non magnétiques avec une lumière polarisée linéairement, créant des courants électriques circulants et faisant apparaître spontanément le magnétisme dans le disque. En principe, cette méthode peut transformer des métaux non ferreux en aimants « à la demande » en utilisant la lumière laser.

Utiliser la lumière pour faire tourner les atomes & générer un courant

La magnétisation provoquée par une rotation à l’échelle macroscopique est connue sous le nom d’effet Barnett. Dans ce phénomène, un matériau est entièrement tourné afin d’aligner les rotations angulaires inhérentes des électrons d’un matériau magnétique désordonné pour générer un champ magnétique net à l’intérieur.

Dans la nouvelle expérience, une rotation à l’échelle atomique a été réalisée dans des matériaux non magnétiques en s’appuyant sur des impulsions laser à polarisation circulaire. Les impulsions ont fait tourner les atomes du matériau, produisant des phonons chiraux collectifs, qui sont des vibrations à polarisation circulaire résonnant avec la fréquence du laser.

Pour cela, une nouvelle source de lumière a été développée dans l’infrarouge lointain (FIR), qui est à polarisation circulaire, ce qui signifie qu’elle a une forme de « vis ». Lorsque la lumière laser avec ce type de polarisation pénètre dans un matériau, la polarisation circulaire est alors transférée à ses atomes en les faisant tourner et en produisant des courants atomiques. Si la fréquence de la lumière correspond à celle de la vibration de l’atome, l’effet est amplifié et, en conséquence, un magnétisme assez important est produit. 

Ainsi, l’expérience menée par le groupe international dirigé par Bonetti a ensuite soumis le matériau quantique titanate de strontium (SrTiO3) à des faisceaux laser intenses mais courts d’une longueur d’onde et d’une polarisation particulières afin d’induire le magnétisme. Les impulsions de 800 nm, d’une durée de picosecondes, ont été émises par un laser infrarouge lointain de 100 µm. 

En particulier, la rotation Kerr des impulsions de sonde a été mesurée. L’équipe a également utilisé diverses températures, allant de 160 à 360 kelvins. Cela a montré que la réponse la plus élevée était obtenue à 280 K (7 °C). À ce stade, le champ électrique térahertz des impulsions était résonnant avec le premier mode phononique optique du matériau.

Dans cette dernière étude publiée dans Nature, l’auteur principal Bonetti a noté que c’était la première fois qu’ils pouvaient induire et observer clairement comment le matériau devient réellement magnétique à température ambiante. 

Cette approche a en outre permis à l’équipe « de fabriquer des matériaux magnétiques à partir de nombreux isolants, alors que les aimants sont généralement faits de métaux », a-t-il ajouté.

Par ailleurs, le degré de magnétisation induit par la technique laser a été mesuré à l’aide d’un effet établi dans lequel la lumière se reflète différemment sur un matériau selon son magnétisme.

Dans leur expérience, les mesures ont montré que le matériau était devenu magnétique. Cependant, l’amplitude de la magnétisation induite, basée sur les méthodes théoriques connues pour calculer cette quantité, était environ quatre ordres de grandeur supérieure à ce qui était attendu. Cette différence a été attribuée à des simplifications excessives faites par les physiciens dans leurs calculs. 

Un autre groupe de chercheurs a utilisé des impulsions laser infrarouges à polarisation circulaire pour induire temporairement un effet magnétique dans un matériau non magnétique. 

Des scientifiques de l’Université Radboud, Pays-Bas, en collaboration avec l’Université Nihon, Japon, ont réalisé cela, mais au lieu d’impulsions à large bande conventionnelles, ils ont utilisé des impulsions très étroites provenant des lasers à électrons libres FELIX, ce qui leur a permis de cibler plus précisément certaines vibrations du réseau à résonance. Ils ont ensuite utilisé la magnétisation créée pour inverser la magnétisation d’un alliage magnétique.

Selon ces chercheurs, la résonance phononique pourrait être utilisée comme une méthode nouvelle et rapide pour écrire des données sur des supports magnétiques. Modifier la direction de rotation de la lumière à polarisation circulaire a également permis à l’équipe de changer la direction de la magnétisation.

L’usage croissant de la lumière laser

L’utilisation de la lumière laser croît rapidement. Cette semaine même, des scientifiques ont fait une nouvelle découverte: Un faisceau laser concentré peut modifier l’état magnétique d’un matériau solide, démontrant un énorme potentiel pour la mémoire informatique ultra-rapide.

Pour cela, les scientifiques ont élaboré une nouvelle équation « élémentaire » qui décrit le lien entre la fréquence et l’amplitude du champ magnétique de la lumière et les propriétés d’absorption d’énergie d’un matériau magnétique. Selon Amir Capua, professeur de physique à l’Université hébraïque de Jérusalem:

« Cela nous permet de repenser complètement l’enregistrement magnétique optique et de nous diriger vers un dispositif de stockage magnétique optique dense, économe en énergie et en coûts, qui n’existe même pas encore. »

Cette technologie devrait conduire à des composants MRAM plus rapides et plus efficaces à l’avenir. 

La taille du marché mondial de la technologie laser est en fait prévue pour atteindre 29,5 milliards de dollars avant la fin de la décennie, contre une valorisation actuelle de 20 milliards de dollars. Ces chiffres sont dus au vaste potentiel du laser dans diverses industries.

Un laser est un dispositif optique qui produit un faisceau de lumière en stimulant l’émission de rayonnement. En raison des propriétés uniques de cette lumière, telles que l’intensité élevée, la cohérence, la monochromaticité et la directionnalité, les lasers sont largement utilisés en médecine, communications, science, militaire, et plus encore. En conséquence, de nombreuses inventions et expériences ont lieu dans le domaine des lasers.

Plus récemment, des scientifiques en Roumanie ont créé l’émission laser la plus puissante du monde, qui représente un dixième de la puissance que le soleil émet et que la Terre reçoit. Installé dans un centre près de Bucarest, exploité par la société française Thales, le laser aurait une puissance de sortie de 10 pétawatts (10 quadrillions de watts). Le pic a été atteint uniquement pendant une période extrêmement courte, d’environ 25 femtosecondes, et sur une largeur de seulement trois micromètres.

Les scientifiques espèrent que le laser conduira à des avancées révolutionnaires dans des secteurs allant de la santé à l’espace. Cette invention peut être appliquée au traitement des déchets nucléaires et au nettoyage des débris spatiaux.

Dans une autre recherche récente, des physiciens du RIKEN ont réalisé des impulsions très courtes de lumière laser qui avaient une puissance de pointe de 6 trillions de watts. Cela équivaut à la puissance produite par 6 000 centrales nucléaires. Cette réalisation vise à développer des lasers attosecondes qui permettent l’étude des électrons. 

L’année dernière, Anne L’Huillier, Pierre Agostini et Ferenc Krausz ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs recherches sur les impulsions de lumière attosecondes (un quintillionième de seconde).

Ces impulsions laser ultra-courtes peuvent aider à éclairer des processus extrêmement rapides, offrant aux scientifiques un moyen puissant de les capturer et de les sonder. 

« En rendant possible la capture du mouvement des électrons, les lasers attosecondes ont apporté une contribution majeure à la science fondamentale. »

– Eiji Takahashi du Centre RIKEN pour la photonique avancée

On s’attend à ce qu’ils soient utilisés pour diagnostiquer des conditions médicales, observer des cellules biologiques et développer de nouveaux matériaux.

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Potentiel futur du magnétisme induit par laser

Financée par une subvention ERC Synergy et la Fondation Knut et Alice Wallenberg, l’étude qui a rendu les matériaux non magnétiques magnétiques à température ambiante a noté qu’en physique, l’ordre collectif d’une matière est l’un des phénomènes les plus fondamentaux et fascinants, et que la multiferroïcité dynamique a été introduite pour décrire l’émergence de la magnétisation. 

« En termes simples, le mouvement de rotation cohérent des ions dans un cristal induit un moment magnétique le long de l’axe de rotation, » a-t-elle déclaré. 

Grâce à ce mécanisme, l’équipe a pu démontrer la magnétisation dans le pérovskite paraélectrique archétypal SrTiO3. Ces résultats ont déjà été reproduits dans plusieurs autres laboratoires.

Cependant, le magnétisme du matériau n’a été maintenu que pendant environ un trillionième de seconde. Ce n’est pas assez longtemps pour trouver une application dans la mémoire d’ordinateur.

Cela dit, c’est un excellent point de départ où les scientifiques ont enfin pu passer de la théorie à la pratique. Cela possède certainement d’importantes applications technologiques potentielles qui seront réalisées avec le temps grâce à davantage de recherches.

Les résultats de l’expérience, selon la recherche, montrent une nouvelle voie pour le contrôle du magnétisme. Cela pourrait être utilisé pour des commutateurs magnétiques extrêmement rapides, par exemple grâce au contrôle cohérent des vibrations du réseau à l’aide de la lumière.

De plus, bien que cette étude ait commencé avec le titanate de strontium, d’autres matériaux plus complexes pourront être explorés à l’avenir et pourraient maintenir leur magnétisme pendant des périodes plus longues. À partir de là, la seule voie est d’avancer avec d’autres découvertes passionnantes qui ouvriront la porte à une utilisation dans les dispositifs informatiques.

Comme l’a déclaré l’auteur de l’étude Alexander Balatsky, professeur de physique au NORDITA: 

« Cela peut être utilisé pour un transfert d’information plus rapide et un stockage de données considérablement meilleur, ainsi que pour des ordinateurs nettement plus rapides et plus économes en énergie. »

Ainsi, bien que les résultats soient prometteurs et puissent conduire à de grandes améliorations dans l’électronique et l’informatique basées sur la magnétisation, des travaux supplémentaires sont nécessaires.

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