Le NIST a obtenu un brevet pour une technologie qui pourrait accélérer l'avènement d'une nouvelle génération tant attendue de hautes performances, ordinateurs à faible consommation d'énergie.
Dispositifs microélectroniques conventionnels, pour la plupart, fonctionnent en manipulant et en stockant des charges électriques dans des transistors à semi-conducteurs et des condensateurs. Cela nécessite beaucoup d'énergie et génère beaucoup de chaleur, d'autant plus que les ingénieurs de procédés continuent de trouver des moyens d'intégrer des fonctionnalités plus nombreuses et plus petites dans des circuits intégrés. La consommation d'énergie est devenue l'un des principaux obstacles à des performances beaucoup plus élevées.
Une approche alternative très prometteuse, appelé « spintronique, " utilise le spin quantique de l'électron pour contenir des informations en plus de la charge. Les deux orientations de spin différentes (généralement désignées " vers le haut " et " vers le bas ") sont analogues aux charges électriques positives et négatives de l'électronique conventionnelle. Parce que changer le spin d'un électron nécessite très peu d'énergie et peut arriver très rapidement, la spintronique offre la possibilité d'une réduction significative de l'énergie.
"Notre invention, " déclare le co-inventeur Curt Richter de la division Engineering Physics du NIST, "est conçu pour fournir un composant clé dans les systèmes spintroniques. C'est un très simple, élément de base fondamental qui peut être utilisé de différentes manières. Il peut servir d'interrupteur marche-arrêt pour les courants de spin, comme interconnexion entre différents composants spintroniques, et en tant qu'interface entre les caractéristiques magnétiques et électroniques pour réaliser des dispositifs multifonctionnels."
Le spin est ce qui rend les choses magnétiques magnétiques :chaque électron se comporte un peu comme un barreau magnétique, avec deux pôles opposés. Les matériaux dans lesquels la plupart des spins électroniques sont alignés dans la même direction (polarisés) produisent un champ magnétique avec la même orientation. Les électrons avec le même alignement de spin que le matériau le traversent facilement; les électrons avec l'alignement opposé sont bloqués.
Cette propriété a été exploitée pour fabriquer des « valves à spin » microscopiques, généralement un canal avec une couche magnétique à chaque extrémité. La polarité relative des deux aimants active ou désactive la vanne :Si les deux aimants ont le même alignement, le courant polarisé en spin traverse le canal. Si les aimants ont des alignements opposés, le courant ne peut pas circuler.
L'appareil est "commuté" en inversant la polarité d'un aimant, ce qui se fait en appliquant un courant suffisant d'électrons de spin opposé. Cependant, inverser la polarité de l'aimant prend plus d'énergie que les chercheurs ne le souhaiteraient.
"Généralement avec des vannes de spin, " dit Richter. " Vous devez faire circuler une quantité importante de courant de spin pour faire basculer le composant. Des courants plus importants signifient que vous utilisez plus d'énergie et que vous générez plus de chaleur. Notre invention réduit considérablement les deux."
En premier, les chercheurs n'avaient aucune intention de fabriquer un appareil ou d'obtenir un brevet. Ils ne travaillaient même pas directement sur le transport de spin. Ils étudiaient le comportement d'une autre classe d'appareils communément appelés « memristors » (résistances de mémoire), une technologie qui a à peine une décennie mais qui est largement présentée comme un potentiel haut débit, élément de base à faible consommation d'énergie pour les futurs ordinateurs.
Les memristors sont des sandwichs à microstructure en couches avec une électrode en haut et en bas, entre lesquelles se trouvent une couche de métal (par exemple du cuivre) qui est un bon conducteur électrique et une couche de matériau (tel que certains oxydes) qui est un mauvais conducteur. Cette configuration est également la structure la plus couramment utilisée dans un nouveau type de mémoire appelée mémoire résistive à accès aléatoire (RRAM ou ReRAM). Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes dans une direction, le courant peut circuler. L'inversion de la tension coupe le courant.
Les scientifiques pensent que la raison de ce phénomène est que lorsqu'une tension de polarisation est appliquée dans une direction, il provoque la diffusion et l'interaction des atomes du conducteur métallique dans l'oxyde, formant de minuscules filaments métalliques qui agissent comme des canaux à faible résistance pénétrant à travers la couche isolante. Si la tension est appliquée dans le sens opposé, la couche d'oxyde est appauvrie en atomes métalliques, et la résistance augmente.
Dans les deux cas, lorsque la tension de polarisation est supprimée, l'état de résistance de l'oxyde est gelé. Parce que cet état a été formé par un biais spécifique appliqué dans une direction spécifique, l'appareil "se souvient" de sa dernière résistance. Cette caractéristique rend les memristors intéressants pour une utilisation dans une mémoire informatique "non volatile" dans laquelle les informations stockées ne disparaissent pas lorsque l'alimentation est coupée.
"Alors, quand nous avons commencé, il y avait des valves de spin et il y avait des memristors, " dit Richter. " Mais personne n'avait pensé à les assembler. Étant des gars de mesure au NIST, nous n'avons pas pensé au départ à les assembler pour inventer un nouvel appareil. Nous les avons assemblés afin de pouvoir effectuer des mesures pour mieux comprendre le fonctionnement des memristors.
"Nous voulions étudier comment ce commutateur de tension s'allume et s'éteint. Nous pensions que si nous ajoutions du spin à l'analyse, nous pourrions avoir plus d'informations sur le fonctionnement d'un memristor normal. En train de le faire, nous avons fabriqué cet appareil et nous avons dit 'Hé, cette chose en elle-même a des ramifications technologiques très intéressantes. Il combine la mémoire non volatile dans les memristors avec la technologie d'une valve de spin pour créer un appareil qui vous permet d'activer et de désactiver un canal de spin."
"Ce qui le rend unique, c'est que vous pouvez ouvrir ou fermer un canal d'essorage à l'aide d'une commande électrique, " dit le co-inventeur Hyuk-Jae Jang. " Et donc avec une petite quantité de tension, nous pouvons activer et désactiver le courant de spin en un temps inférieur à la nanoseconde sans avoir à inverser la polarité de l'électrode ferromagnétique d'une valve de spin. Cette opération à haute vitesse et à faible consommation d'énergie est essentielle pour construire la future technologie logique basée sur la spintronique pour remplacer la technologie électronique actuelle basée sur CMOS utilisée pour fabriquer presque tous les circuits intégrés aujourd'hui. »
Le brevet NIST couvre les appareils fabriqués avec une variété de matériaux. La combinaison principale utilisée dans les expériences des inventeurs était, de bas en haut, une couche de base magnétique en cobalt qui sert à polariser en spin les électrons, une couche isolante en oxyde de tantale, une couche de cuivre, et une électrode supérieure en alliage.
Dans la configuration "marche", les atomes de cuivre sont attirés dans l'oxyde et leurs filaments s'étendent jusqu'à la couche de base de cobalt. L'inversion de la tension fait reculer le cuivre, et "il y a une région vide dans la couche d'oxyde, " dit Richter. " Dès que cela arrive, le courant s'arrête. Cela pourrait n'être qu'à quelques atomes de distance, en raison de la chute exponentielle avec la distance. Cela en fait un interrupteur à très faible consommation d'énergie."
Jean Kramar, Chef par intérim de la division d'ingénierie physique du NIST, appelle le travail "une invention très excitante qui fournit une excellente solution au problème d'énergie de commutation pour les vannes de spin. Elle supprime une barrière technologique importante pour que la spintronique devienne un concurrent sérieux pour la microélectronique au-delà du CMOS."
