Créer du chaos à partir d'un vortex magnétique nanométrique

Publié par Redbran le 18/06/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs ont montré que des vortex magnétiques engendrés dans des couches magnétiques ultraminces ont un comportement chaotique. Cela se traduit par des signaux électriques complexes émis arbitrairement, qui pourraient être utilisés pour générer des nombres aléatoires ou sécuriser les communications.


Illustration 1.
À gauche, schéma d'un "oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie)....) à vortex nanométrique".
À droite, le renversement du coeur de vortex entraîne un changement de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) de la giration du vortex autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du nanocontact.

Les vortex générés dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques ultraminces sont des tourbillons de moments magnétiques caractérisés par un "coeur" de quelques dizaines de nanomètres de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle,...). Ce coeur tourne comme une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en équilibre sur sa pointe. On appelle également toupie le...) et trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma...) des orbites elliptiques dans le plan des films magnétiques, de l'ordre du nanomètre, dans lesquels ils résident. Selon que les moments magnétiques du coeur pointent vers le haut ou vers le bas par rapport à ce plan, ce coeur peut tourner dans le sens horaire ou antihoraire le long de ces orbites - un peu comme l'aiguille d'une horloge qui pourrait avancer ou reculer. Dans certaines conditions, les moments du coeur peuvent se renverser, changeant le sens de rotation. Mais surtout, ces renversements peuvent devenir chaotiques, ce qui signifie dans notre analogie avec l'horloge que l'aiguille pourrait par exemple avancer pendant une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...), puis reculer pendant deux, puis avancer à nouveau pendant deux minutes supplémentaires, etc., mais selon une séquence qui ne peut pas être prédite sur le long terme.

Dans un premier travail publié dans Physical Review Letters, une équipe de chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Saclay), en collaboration avec des chercheurs de l'Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) CNRS-Thales (UMPhy, CNRS/Thales), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Jean Lamour (IJL, CNRS/Univ. de Lorraine) et du Laboratoire matériaux optiques, photonique et systèmes (LMOPS, CentraleSupélec/Univ. de Lorraine), a montré expérimentalement qu'un tel comportement peut être produit dans un système appelé "nano-oscillateur à vortex" où un tel mouvement est contrôlé en modifiant le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par...) traversant le dispositif.

Le système, fabriqué à l'UMPhy, consiste en un canal métallique nanométrique dans lequel de fortes densités de courant s'écoulent à l'intérieur d'une "vanne de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa...)", vanne dont la résistance au courant varie considérablement en fonction de la configuration magnétique (cf. illustration 1). Les courants induisent un mouvement chaotique du coeur de vortex, dont la position influe sur la résistance électrique du dispositif, grâce à la vanne de spin, et peut donc être lue. Dans un second travail publié dans Nature Communications, les chercheurs utilisent une technique de filtrage avancée pour séparer les mouvements du coeur issus du courant électrique de ceux nés des fluctuations thermiques. Avec le même système expérimental, les chercheurs ont découvert que l'état chaotique de la giration du coeur se traduit par l'alternance de deux formes d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) dans l'espace des phases (L'espace des phases est un espace abstrait dont les coordonnées sont les variables dynamiques du système étudié.) qui permet d'interpréter géométriquement ces mouvements (cf. illustration 2). Ils ont montré ensuite comment projeter ces motifs sur des bits d'information et ainsi générer des bits aléatoires à un rythme de cent millions de fois par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...).

Ces résultats ouvrent la possibilité d'utiliser des nanodispositifs pour générer des motifs chaotiques pour les technologies de l'information. Un passage à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte...) pour produire un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) de tels oscillateurs à vortex peut être envisagé, ce qui permettrait de générer des nombres aléatoires à des fréquences de plusieurs GHz sur une seule puce. Les générateurs de nombres aléatoires rapides basés sur du "hardware" sont utiles pour le chiffrement (En cryptographie, le chiffrement (parfois appelé à tort cryptage) est le procédé grâce auquel on peut rendre la compréhension d'un document impossible à toute personne qui n'a pas la clé de (dé)chiffrement.). En couplant de tels nano-oscillateurs à vortex à d'autres composants spintroniques, tels que les mémoires magnétiques et les dispositifs logiques de spin, on peut également envisager un nouveau paradigme dans le calcul à faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) où la non-volatilité et la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en...) de ces systèmes seraient combinées.


Illustration 2.
Trajectoires de vortex dans l'espace des phases du système dynamique (En mathématiques, en physique théorique et en ingénierie, un système dynamique est un système classique qui évolue au...) illustrant un comportement périodique et chaotique. Ces trajectoires génèrent des motifs de formes d'onde distincts qui peuvent être utilisés dans les technologies de l'information.

Références:

Chaos in Magnetic Nanocontact Vortex Oscillators. Thibaut Devolder, Damien Rontani, Sébastien Petit-Watelot, Karim Bouzehouane, Stéphane Andrieu, Jérémy Létang, Myoung-Woo Yoo, Jean-Paul Adam, Claude Chappert, Stéphanie Girod, Vincent Cros, Marc Sciamanna et Joo-Von Kim, Physical Review Letters, le 1er octobre 2019.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.147701
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.

Pattern generation and symbolic dynamics in a nanocontact vortex oscillator. Myoung-Woo Yoo, Damien Rontani, Jérémy Létang, Sébastien Petit-Watelot, Thibaut Devolder, Marc Sciamanna, Karim Bouzehouane, Vincent Cros, Joo-Von Kim, Nature Communications, le 30 janvier 2020.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14328-7
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv.

Contact:
Joo-Von Kim - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Centre de nanosciences et de nanotechnologies
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