Des chercheurs suisses font une percée dans le supercalcul de la glace de spin

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  • Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer et de l’ETH Zurich ont réussi à accomplir une percée technologique qui pourrait conduire à de nouvelles formes de calcul intensif à faible consommation d’énergie.

    Il est basé sur quelque chose appelé glace de spin artificielle : pensez à des molécules d’eau qui se congèlent dans un réseau cristallin de glace, puis remplacez l’eau par des nanocristaux magnétiques. La clé pour construire une bonne glace de spin est de rendre les particules magnétiques si petites qu’elles ne peuvent être polarisées, ou “tournées”, qu’en les laissant tomber en dessous d’une certaine température.

    Lorsque ces aimants sont gelés, ils s’alignent en forme de réseau, tout comme la glace d’eau, mais avec le potentiel supplémentaire d’être réarrangés en une quasi-infinité de combinaisons magnétiques. Ici, les cas d’utilisation commencent à émerger, et quelques percées de cette expérience pourraient nous faire avancer dans la bonne direction.

    La découverte, faite par le physicien du PSI Kevin Hofhuis et les chercheurs du PSI/professeurs de l’ETH Zurich Laura Heyderman et Peter Derlet, pourrait ouvrir la voie à des applications HPC à basse énergie avec des utilisations potentielles supplémentaires dans le calcul des réservoirs, qui implique l’utilisation de systèmes linéaires fixes de dimension supérieure que l’entrée pour le mappage du signal. “Il existe de nombreux domaines dans lesquels l’informatique de réservoir peut être appliquée, notamment la prévision des conditions météorologiques et des marchés financiers, la reconnaissance d’images et de la parole et la robotique”, a déclaré Hofhuis.

    Hyderman a même émis l’hypothèse qu’un supercalculateur à glace de spin à grande vitesse et à faible puissance pourrait s’apparenter au cerveau humain : “Le processus est basé sur le traitement de l’information dans le cerveau et tire parti de la façon dont la glace de spin artificielle réagit à un stimulus tel que un champ magnétique ou un courant électrique.”

    La science derrière la glace tournante

    Pour être clair, cela jette les bases, mais les supercalculateurs à glace tournante ne sont pas dans un avenir immédiat. Cela n’a pas empêché les chercheurs de spéculer sur la façon dont la glace de spin et la manipulation des transitions de phase peuvent être utilisées.

    “Les transitions de phase magnétique avaient été théoriquement prédites pour la glace de spin artificielle kagome, mais elles n’avaient jamais été observées auparavant”, a déclaré Heyderman, qui fait des recherches et publie sur les glaces de spin depuis plus d’une décennie.

    Pour cette expérience, un composé nickel-fer appelé permalloy a été étalé sur un substrat de silicium, qui a ensuite été lithographié sur le substrat selon un motif hexagonal, chacun connecté via ces ponts, qui étaient essentiels pour leur permettre de régler et d’observer la transition de phase.

    Comme l’explique Hofhuis, chaque aimant sous la forme kagome (un anneau se compose de six aimants) a deux alignements, ce qui signifie 64 états magnétiques potentiels. Deux anneaux augmentent cela à plus de 2 000 états possibles, et ainsi de suite. “Il y a un nombre inimaginable d’états magnétiques disponibles dans nos grands réseaux, qui ont plusieurs milliers de nano-aimants”, a déclaré Hofhuis.

    L’équipe expérimentale a fait deux grandes percées : elle a construit des ponts magnétiques à l’échelle nanométrique entre les aimants, rendant leurs réponses plus prévisibles, et a vérifié comment les états magnétiques des nanoaimants dans un réseau évoluent dans le temps. Cette dernière découverte a nécessité un microscope spécial et un synchrotron à rayons X, mais laissez-les voir les transitions de phase réelles dans la glace de spin.

    Ces ponts n’avaient que dix microns d’épaisseur (un cheveu humain mesure environ 70 microns), et les chercheurs ont pu capturer une vidéo de l’interaction des nanoaimants, mais n’ont rien pu faire d’autre que déduire la configuration des “spins” magnétiques qui se produisent dans le moment de transition de phase.

    Hofhuis a déclaré qu’il avait besoin de simulations conçues par Derlet pour prouver que ce qu’il enregistrait était un changement d’état de phase. “Seule la comparaison des images enregistrées avec ces simulations a prouvé que les processus observés au microscope sont en réalité des transitions de phase”, a déclaré le PSI.

    À la fin de la journée, les chercheurs ont produit et mesuré de la glace de spin kagome artificielle qui est suffisamment petite pour faire ce que la glace de spin est censée faire : se former uniquement par des transitions de phase magnétiques induites par la température. Supercalculer avec cela prendra un peu plus de temps. ®

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