Les ordinateurs d'aujourd'hui utilisent souvent jusqu'à quatre types différents de technologie de mémoire, du disque dur aux puces mémoire, chacun avec ses propres forces et faiblesses. Une nouvelle technologie de mémoire pourrait être sur le point de perturber ce paysage, cependant, avec une combinaison unique de fonctionnalités. Il porte l'acronyme lourd STT-MRAM, qui signifie mémoire vive magnétique à couple de transfert de spin.

"Toutes les autres technologies de mémoire sont bonnes dans certains domaines et moins bonnes dans d'autres. Les gens espèrent que la STT-MRAM peut être bonne dans tout, " a déclaré l'ingénieur électricien Holger Schmidt, le professeur Kapany d'optoélectronique à l'UC Santa Cruz.

En tant que l'un des 15 partenaires du programme Samsung Global MRAM Innovation, Le laboratoire de Schmidt collabore avec des chercheurs de Samsung pour aider à développer cette technologie de mémoire émergente. Fort de son expertise en optoélectronique, Schmidt utilise des techniques optiques basées sur des impulsions laser ultra-courtes pour étudier des prototypes de dispositifs de préproduction de Samsung. Ses évaluations aident l'entreprise à optimiser ses matériaux et ses processus de fabrication.

Nano-aimants

STT-MRAM stocke des informations dans les états magnétiques de minuscules éléments magnétiques ou « nano-aimants » de moins de 100 nanomètres de diamètre. Contrairement aux autres technologies de stockage magnétique, tels que les disques durs avec leurs disques rotatifs et leurs têtes de lecture-écriture magnétiques, Les appareils STT-MRAM n'ont pas de pièces mobiles car ils utilisent le courant électrique pour lire et écrire des données. Bien que les implémentations actuelles aient encore beaucoup de place pour l'amélioration, la technologie offre le potentiel de haute vitesse, haute densité, mémoire économe en énergie qui est non volatile, ce qui signifie que les informations stockées ne sont pas perdues lorsque l'alimentation est coupée.

Plusieurs avancées clés en physique et en science des matériaux au cours des 20 dernières années ont conduit au développement de la STT-MRAM et d'autres technologies dites spintroniques. Alors que les appareils électroniques sont basés sur le mouvement des charges électriques, la spintronique exploite une autre propriété des électrons appelée spin. Le spin est l'un de ces concepts bizarres de la mécanique quantique sans équivalent direct dans notre monde macroscopique. Qu'il suffise de dire que les électrons se comportent comme s'ils tournaient, produisant un petit moment magnétique (comme un minuscule barreau magnétique avec des pôles nord et sud) qui peut interagir avec d'autres électrons et atomes dans un matériau.

Les nano-aimants dans un dispositif STT-MRAM, appelées vannes de spin ou jonctions tunnel magnétiques, ont deux couches magnétiques séparées par une fine barrière à travers laquelle le courant électrique peut circuler. Lorsque les spins dans les deux couches magnétiques sont alignés, la résistance est faible, et si les deux couches ont des spins opposés, la résistance est élevée, fournissant deux états lisibles et commutables pour représenter 0 et 1 dans la logique binaire des ordinateurs.

Transfert d'essorage

La possibilité de changer l'état d'une vanne de spin avec un courant électrique était une innovation essentielle. Un courant polarisé dans lequel les spins des électrons sont alignés peut transférer cet état de spin à l'une des couches magnétiques lors de son passage, un phénomène appelé couple de transfert de spin (STT).

Les puces STT-MRAM pour les applications de niche commencent tout juste à arriver sur le marché, et des dizaines d'entreprises s'efforcent d'optimiser la technologie pour une utilisation dans l'électronique grand public.

Selon Schmidt, l'un des défis est de faire fonctionner les puces avec le moins de puissance possible afin qu'elles ne chauffent pas trop. La quantité de courant nécessaire pour commuter un nano-aimant dépend de l'amortissement, ou combien de temps il faut pour s'installer dans un nouvel état de rotation, il expliqua. La mesure des paramètres d'amortissement dans un réseau de nano-aimants est extrêmement difficile, mais le laboratoire de Schmidt est capable de le faire en utilisant de courtes impulsions laser. Lui et ses collaborateurs, dirigé par l'étudiant diplômé et premier auteur Mike Jaris, ont rapporté leurs dernières découvertes dans un article publié dans Lettres de physique appliquée .

"Nous avons pu extraire des mesures d'amortissement à partir de dispositifs prototypes et montrer les effets du processus de fabrication sur les propriétés matérielles des nano-aimants, " a déclaré Schmidt.

La collaboration avec Samsung a été passionnante pour son laboratoire, il a dit, donnant à ses étudiants l'opportunité de travailler à la fine pointe d'une technologie émergente. "C'est un type de mémoire complètement différent, et je m'attends à le voir utilisé dans plus d'applications au cours des prochaines années, " il a dit.