Des puces mémoire à très basse consommation d'énergie électrique pourraient être bientôt fabriquées
Grâce à une étude des chercheurs du MIT
La spintronique, encore appelé magnétoélectronique ou l'électronique de spin, est une technique qui exploite la propriété quantique du spin (l'équivalent quantique du moment cinétique en physique classique) des électrons dans le but de stocker des informations. C'est cette technique que les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Brookhaven National Laboratory ont exploité pour mener une étude publiée dans la revue Nature Materials, qui pourrait permettre de produire des puces mémoire à très basse consommation d'énergie électrique. Ils ont démontré que c'est possible de « contrôler les propriétés magnétiques d'un matériau en couche mince simplement en appliquant une faible tension. Les changements d'orientation magnétique ainsi apportés restent dans leur nouvel état sans nécessiter de source d'alimentation continue, contrairement aux puces de mémoire standard actuelles ». Les travaux ont été financés par la National Science Foundation par le biais du programme du Centre de recherche sur les matériaux, les sciences et l'ingénierie (MRSEC).
Contrairement aux puces mémoire classiques qui sont faites à base de silicium, les dispositifs spintroniques peuvent conserver leurs propriétés magnétiques sans recourir à une puissance électrique constante. Le magnétisme est activé avec juste une brève application de tension puis reste en place. Son inversion ne nécessite aucune alimentation, il suffit de court-circuiter le périphérique alors qu'une puce de mémoire conventionnelle nécessite une alimentation constante pour maintenir son état. « Puisque c'est une impulsion qui est appliquée (et pas une source continue de courant), la consommation d'énergie électrique peut donc baisser considérablement », explique Geoffrey Beach, professeur de science et génie des matériaux et codirecteur du Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. Voilà comment ces dispositifs pourraient fonctionner tout en consommant très peu d'énergie électrique.
Les chercheurs ont utilisé des ions hydrogène qui sont très petits et peuvent donc entrer et sortir de la structure cristalline du dispositif spintronique, en modifiant son orientation magnétique à chaque fois, sans endommager le matériau. L'équipe de recherche a démontré que le processus ne produit aucune dégradation du matériau après plus de 2000 cycles (un cycle étant une entrée et une sortie des ions hydrogène de la structure cristalline du dispositif spintronique). Contrairement à d'autres ions comme l'oxygène, l’hydrogène peut facilement traverser des couches métalliques, ce qui permet à l’équipe de contrôler les propriétés des couches profondes d’un appareil qui ne pourrait être contrôlé autrement.
Jun Tan, un des chercheurs explique que « lorsque vous pompez de l'hydrogène vers un aimant, il tourne. C'est donc possible de changer la direction de l'aimant de 90 degrés en appliquant une tension et c'est totalement réversible ». L'orientation des pôles (nord et sud) de l'aimant étant ce qui est utilisé pour stocker des informations, cela signifie qu'il est possible d'écrire et d'effacer les « bits » de données dans les dispositifs spintroniques utilisant cet effet. Rappelons à toute fin utile que c'est le laboratoire de Geoffrey Beach, professeur de science et génie des matériaux, qui a découvert le processus original de contrôle du magnétisme par les ions oxygène il y a plusieurs années. Beach affirme que c'est cette première découverte qui a déclenché une vaste recherche sur un nouveau domaine baptisé « ionique magnétique ». Fasciné par cette nouvelle étude, il dit que cette dernière découverte va maintenant révolutionner tout le domaine.
Chris Leighton, professeur à l’Université McKnight du département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota, déclare que « c’est vraiment une avancée significative ». « Il existe actuellement dans le monde entier un grand intérêt pour le contrôle des matériaux magnétiques simplement en appliquant des tensions électriques. Ce n'est pas seulement intéressant du point de vue fondamental, mais c'est aussi un changeur de jeu potentiel pour les applications, où des matériaux magnétiques sont utilisés pour stocker et traiter des informations numériques », continua-t-il.
« Utiliser d'hydrogène pour contrôler le magnétisme n'est pas nouveau, mais être capable de le faire de manière alimentée par la tension, dans un dispositif à l'état solide, avec un bon impact sur les propriétés magnétiques - c'est assez significatif », exclama Leighton en concluant que « c’est quelque chose de nouveau, avec le potentiel d’ouvrir de nouveaux domaines de recherche. Pouvoir faire cela assez rapidement, sur suffisamment de cycles, de manière générale, serait une avancée fantastique pour la science et l'ingénierie ». Cette découverte pourraient être particulièrement utiles pour les nouveaux appareils, avec leur faible consommation d’énergie et leur vitesse de calcul élevée tels que l’informatique mobile, explique Beach, mais le travail en est encore à ses débuts et nécessitera des développements ultérieurs. « Je voudrais voir des prototypes en laboratoire dans quelques années ou moins », dit-il. Faire une cellule de mémoire demande un travail « assez complexe » et pourrait prendre plus de temps.
L'étude a relevé un défi majeure de la technologie spintronique qui souffrait de ses propres limites. Il n'était pas encore possible de contrôler facilement et rapidement les propriétés magnétiques d'un matériau électriquement, en appliquant une tension. Depuis des années, de nombreux groupes de recherche se penchent sur la question. « Des tentatives antérieures reposaient sur une accumulation d'électrons à l'interface entre un aimant métallique et un isolant, en utilisant une structure de dispositif similaire à un condensateur. La charge électrique peut modifier les propriétés magnétiques du matériau, mais seulement dans une très petite quantité, rendant son utilisation impossible dans des appareils réels. D'autres chercheurs ont aussi tenté d'utiliser des ions au lieu d'électrons pour modifier les propriétés magnétiques. Par exemple, des ions oxygène ont été utilisés pour oxyder une fine couche de matériau magnétique, entraînant une modification extrêmement importante des propriétés magnétiques. Cependant, l'insertion et le retrait d'ions oxygène font gonfler et rétrécir le matériau, causant des dommages mécaniques qui limitent le processus à quelques répétitions, le rendant essentiellement inutile pour les appareils de calcul ».
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