Dans les couches magnétiques ultraminces, les vortex magnétiques sont des tourbillons d’aimantation dont le cœur de taille nanométrique tourne comme une toupie et trace des trajectoires en spirales dans la couche hôte du vortex. Dans certaines conditions, le sens de giration peut s’inverser de façon répétée entre le sens des aiguilles d’une montre et son inverse, ce qui entraîne des comportements complexes. Des physiciens viennent de montrer que le chaos sous-tend un tel mouvement à l'échelle nanométrique. Cela se traduit par des signaux électriques hyperfréquences complexes émis arbitrairement, qui pourraient être utilisés pour générer des nombres aléatoires ou sécuriser les canaux de communication.

Le chaos en physique et en mathématique décrit un comportement imprévisible qui peut survenir dans un système déterministe. Dans les matériaux magnétiques, le chaos peut être observé dans le mouvement d'un tourbillon particulier de moments magnétiques appelé vortex. Ces tourbillons sont caractérisés par un « cœur » de quelques dizaines de nanomètres de largeur, qui tourne comme une toupie et trace des orbites elliptiques dans le plan des films magnétiques d’épaisseur de l’ordre du nanomètre dans lesquels ils résident. Selon que les moments du cœur pointent vers le haut ou vers le bas par rapport à ce plan, ce cœur 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 cœur peuvent se renverser, changeant en conséquence le sens de rotation. Mais surtout, ces renversements peuvent devenir chaotiques, ce qui signifie que dans notre analogie avec l’horloge, l'aiguille pourrait par exemple avancer pendant une minute, puis reculer pendant deux, puis avancer à nouveau pendant deux minutes supplémentaires, etc., mais avec 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 – UMPhy CNRS/Thales, de CentraleSupélec et de l'Université de Lorraine a montré expérimentalement qu'un tel comportement peut être produit dans un système appelé « nanooscillateur à vortex » où un tel mouvement peut être contrôlé en modifiant le courant électrique traversant le dispositif. Le système, fabriqué à l'UMPhy CNRS/Thales, implique une technique de nanoindentation pour créer un canal métallique à l'échelle nanométrique à travers lequel de grandes densités de courant s'écoulent à l’intérieur d’une vanne de spin. Ces courants induisent un mouvement chaotique du cœur de vortex, dont la position influe sur la résistance électrique du dispositif et peut donc être lue.

Dans un second travail, publié dans Nature Communications, les chercheurs utilisent une technique de filtrage avancée développée pour démontrer que des motifs de formes d'onde simples peuvent être produits, qui se répètent périodiquement ou chaotiquement en fonction du courant appliqué. Avec le même système expérimental, les chercheurs ont découvert que l'état chaotique de la giration du cœur se traduit par l'alternance de deux formes d'onde. Ils ont montré 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.

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 pour produire un réseau 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, mais pourraient également trouver une utilisation dans l'informatique neuro-inspirée et probabiliste. Les motifs de forme d'onde reflètent également la dynamique symbolique inhérente du système, qui peut être exploitée pour améliorer les rapports signal / bruit dans les canaux de communication. En couplant de tels nanooscillateurs 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 où la non-volatilité et la complexité de ces systèmes seraient combinées.

Références :

Chaos in Magnetic Nanocontact Vortex Oscillators
T. Devolder¹, D. Rontani², S. Petit-Watelot³, K. Bouzehouane⁴, S. Andrieu³, J. Létang¹, M.-W. Yoo¹, J.-P. Adam¹, C. Chappert¹, S. Girod⁴, V. Cros⁴, M. Sciamanna², & J.-V. Kim¹
Physical Review Letters, vol. 123, 147701 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.147701

Pattern generation and symbolic dynamics in a nanocontact vortex oscillator
M.-W. Yoo¹, D. Rontani², J. Létang¹, S. Petit-Watelot³, T. Devolder¹, M. Sciamanna², K. Bouzehouane⁴, V. Cros⁴, & J.-V. Kim¹
Nature Communications, vol. 11, 601 (2020)
DOI: 10.1038/s41467-020-14328-7

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS, Université Paris-Saclay), Palaiseau
² Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes – LMOPS (CentraleSupélec/ Université de Lorraine), Metz
³ Institut Jean Lamour – IJL (CNRS/Université de Lorraine), Nancy
⁴ Unité Mixte de Physique (UMPhy) CNRS/Thales, Palaiseau

Contacts:

• Joo-Von Kim, chargé de recherche CNRS au C2N
• Damien Rontani, Maître de conférences CentraleSupélec au LMOPS

 

Figure (haut) : Gauche : Schéma d'un « oscillateur à vortex nanométrique ». Droite : le renversement du cœur de vortex entraîne un changement de sens de la giration du vortex autour du nanocontact. / (bas) Trajectoires de vortex dans l'espace des phases du système dynamique 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. Crédits C2N/J-V Kim & al.