Des chercheurs en génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota ont créé une jonction tunnel magnétique qui peut être commutée par une impulsion lumineuse d'une durée d'un trillionième de seconde, un nouveau record. La jonction tunnel magnétique est essentielle aux progrès des technologies de l'information avec la fin de la loi de Moore, un principe qui régit l'industrie de la microélectronique depuis cinq décennies.

Cette avancée est prometteuse pour le développement de nouveaux, contrôlé optiquement, dispositifs magnétiques ultrarapides appelés collectivement spintronique (électronique qui combine les nanotechnologies optiques et magnétiques). Ces dispositifs pourraient conduire à des innovations dans le stockage, En traitement, et la communication d'informations. Un exemple d'une telle innovation serait le développement d'un système qui, comme le cerveau humain, peut à la fois stocker et analyser une grande quantité de données simultanément. Les détails de l'appareil et les tests effectués sur celui-ci sont rapportés dans un article publié récemment dans Examen physique appliqué , un journal de l'American Physical Society.

Typiquement, la jonction tunnel magnétique a une structure "sandwich" constituée de deux couches de matériaux magnétiques avec une couche isolante, appelé barrière, au milieu. L'information est écrite sur le matériau magnétique en inversant l'aimantation d'une des couches. Ce processus d'inversion implique souvent un mouvement en spirale dans les électrons en rotation, appelé traitement de rotation. Cependant, il y a une limitation sur la vitesse à laquelle le traitement de rotation peut être. Les freins sont appliqués à environ 1,6 GHz, un record de vitesse de courant qui est beaucoup plus lent que les transistors au silicium. Pour permettre des vitesses d'écriture plus rapides, les limitations de vitesse doivent être surmontées.

"Avec notre invention d'une nouvelle jonction tunnel magnétique, il y a maintenant un moyen d'accélérer les choses, " dit Mo Li, un professeur agrégé au département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota qui a dirigé la recherche.

Inspiré par la découverte de 2007 par des scientifiques néerlandais et japonais montrant que la magnétisation d'un alliage d'un élément de terre rare, appelé gadolinium (Gd), avec du fer (Fe), et le cobalt (Co) pourrait être commuté à l'aide d'impulsions lumineuses, Des chercheurs de l'Université du Minnesota ont utilisé l'alliage pour remplacer la couche magnétique supérieure d'une jonction tunnel magnétique conventionnelle. Une autre modification apportée à l'appareil consistait à utiliser un matériau électrique transparent appelé oxyde d'indium et d'étain pour que l'électrode permette à la lumière de la traverser. Ces couches sont empilées en un pilier de 10 µm de diamètre, qui est seulement un dixième du diamètre d'un cheveu humain typique.

Pour tester leur travail, les chercheurs ont envoyé des impulsions laser au dispositif modifié à l'aide d'un laser à faible coût basé sur des fibres optiques qui émet des impulsions ultracourtes de lumière infrarouge. Les impulsions sont envoyées une à chaque microseconde (un millionième de seconde), mais chaque impulsion est plus courte qu'un trillionième de seconde. Chaque fois qu'une impulsion frappe le pilier de jonction tunnel magnétique, les scientifiques ont observé un saut de tension sur l'appareil. Le changement de tension confirme que la résistance de la jonction tunnel magnétique "sandwich" change à chaque fois que l'aimantation de la couche de GdFeCo est commutée. Parce que chaque impulsion laser dure moins d'une picoseconde (un millionième de microseconde), l'appareil est capable de recevoir des données à une vitesse incroyable de 1 térabit par seconde.

Li a déclaré que la recherche offrait des perspectives intéressantes. "Notre résultat établit un nouveau moyen de communication entre la fibre optique et les dispositifs magnétiques. Alors que la fibre optique offre un débit de données ultra-élevé, les dispositifs magnétiques peuvent stocker des données de manière non volatile à haute densité, " il a dit.

Professeur Jian-Ping Wang, directeur du Centre des matériaux spintroniques, Interfaces, et Novel Structures (C-SPIN) basé à l'Université du Minnesota et co-auteur de l'étude, voit également de grandes promesses. « Les résultats ouvrent la voie à une nouvelle catégorie de dispositifs spintroniques optiques qui ont le potentiel de relever les défis futurs pour le développement de futurs systèmes intelligents.

"Ces systèmes pourraient utiliser des dispositifs de spin comme neurones et synapses pour exécuter des fonctions de calcul et de stockage tout comme le cerveau, tout en utilisant la lumière pour communiquer l'information, " a déclaré Wang.

L'objectif ultime de l'équipe de recherche est de réduire la taille de la jonction tunnel magnétique à moins de 100 nanomètres et de réduire l'énergie optique requise. À cette fin, l'équipe poursuit ses recherches, et est actuellement engagé dans l'optimisation du matériau et de la structure de l'appareil, et travailler sur son intégration avec la nanophotonique. En plus de Li et Wang, associé postdoctoral Junyang Chen, et l'étudiant diplômé Li He sont les principaux auteurs de l'article.