C'est quoi les skyrmions, ces nanobulles magnétiques qui vont rendre vos ordinateurs 10 fois plus rapides ?

Des chercheurs du CNRS sont parvenus à déplacer des skyrmions à des vitesses jamais atteintes. Ces éléments de la taille d’une molécule peuvent désormais franchir près d’un kilomètre en seulement une seconde.

Les chercheurs du CNRS ont très certainement touché du doigt ce que sera l’informatique de demain. Dans leur laboratoire, ils sont parvenus à dompter les skyrmions. Ces très très petits éléments ne sont pas plus gros qu’une molécule. Pourtant, c’est grâce à eux que les ordinateurs de demain pourront aller beaucoup plus vite.

Dans une étude parue jeudi 18 avril dans Science, le scientifique Olivier Boulle a détaillé comment les skyrmions pouvaient atteindre des vitesses records. Cette découverte peut déboucher à l’avenir sur un nouveau paradigme dans le domaine de l’électronique.

Le futur de l’informatique passera-t-il par la spintronique ?

Car aujourd’hui, l’informatique est prise dans un étau. D’un côté, elle consomme énormément d’électricité. En 2022, l’Ademe indiquait que le numérique comptait pour 10 % de la consommation électrique annuelle. D’un autre côté, elle n’est jamais assez puissante. Chaque année, des nouveaux équipements viennent supplanter les performances de la génération précédente. Les nouveaux besoins de l’intelligence artificielle sont colossaux et exponentiels, au point que son essor pourrait provoquer des pénuries d’électricité, ainsi que l’a récemment rapporté Le Vif.

Afin de trouver des solutions, la recherche se tourne désormais vers la spintronique. Cette science se rapproche de l’électronique, le recours aux électrons pour stocker de l’information sous forme de courant électrique, mais y ajoute l’exploitation du “spin”, une caractéristique quantique des électrons assimilable à un moment magnétique intrinsèque.

La spintronique, c’est donc l’exploitation de ces nanoaimants élémentaires (des “spins”) pour chercher des voies d’amélioration qui pourrait, notamment, révolutionner l’informatique. Les skyrmions en découlent directement puisqu’il s’agit d’un agglomérat de spins qui vont s’enrouler les uns autour des autres jusqu’à former une structure en spirale très stable, vulgairement décrite comme “un tourbillon magnétique”.

“Les skyrmions, on peut voir ça comme de toutes petites bulles magnétiques plates où le pôle nord et le pôle sud de l’aimant viennent s’inverser localement”, détaille à France Culture Olivier Boulle, chercheur CNRS au laboratoire Spintec du Commissariat à l’énergie atomique (CEA).

Optimiser le transit des données entre les processeurs et la mémoire

Trouvable dans des couches très fines de cobalt ou de fer, un skyrmion s’apparente à une particule magnétique 10 000 fois plus petite qu’un cheveu. Les chercheurs peuvent donc l’exploiter pour y encoder une information.

Cela signifie que dans une couche magnétique, la présence d’un skyrmion peut être interprétée comme un “1” dans le langage binaire. Son absence s’assimilerait alors à un “0”.

Grâce à cette particularité, un nouveau concept de mémoire à l’échelle du nanomètre a vu le jour. Le skyrmion pourrait devenir un objet pour transmettre l’information entre un processeur, qui effectue des calculs informatiques, et un disque dur, qui stocke cette information. C’est alors un courant électrique qui permettrait de déplacer les skyrmions d’un élément à un autre.

Mais jusqu’à maintenant, les skyrmions affichaient une limite de vitesse compromettante. Ils n’étaient en mesure de franchir seulement 100 mètres par seconde. Une performance bien trop basse pour espérer une quelconque application dans le domaine de l’informatique. Mais des calculs théoriques du CNRS entrevoyaient déjà la possibilité d’aller beaucoup plus vite.

“On avait déjà fait des calculs auparavant qui prédisaient que, du fait qu’on venait annuler l’aimantation dans un matériau, on avait une très forte augmentation de la vitesse par rapport aux matériaux magnétiques”, explique à France Culture Olivier Boulle.

Faire perdre leurs capacités magnétiques à des matériaux

Ainsi, l’étude dirigée par le CNRS, qui s’inscrit dans le programme national de recherche SPIN (inauguré en janvier 2024), a permis de déplacer des skyrmions à la vitesse record de 900 mètres par seconde. Ce qui est neuf fois plus rapide que précédemment.

Tout cela est rendu possible par un matériau antiferromagnétique, développé et optimisé par le CNRS. Il est composé de deux couches ferromagnétiques très fines de cobalt entre lesquelles une couche fine non magnétique est placée. En opposant les pôles magnétiques des deux couches de cobalt, il est possible d’annuler leur aimantation.

C’est-à-dire que les capacités magnétiques disparaissent, alors que le matériau reste un environnement dans lequel des skyrmions peuvent être créés. Il est ainsi possible d’y faire passer un courant pour déplacer ces skyrmions. Cela donne l’espoir de bénéficier de cette grande vitesse de déplacement pour véhiculer des données informatiques.

La découverte de ce déplacement extrêmement rapide a été faite dans le cadre de la recherche fondamentale. Cela implique donc de nombreuses étapes avant de pouvoir en bénéficier dans la vie quotidienne. La prochaine étape consiste donc à créer une preuve de concept : un dispositif de mémoire qui utilisera les skyrmions pour recevoir l’information des calculs réalisés par un processeur.