Le stockage magnétique des données a longtemps été considéré comme trop lent pour être utilisé dans les mémoires de travail des ordinateurs. Des chercheurs de l'ETH ont maintenant étudié une technique permettant d'écrire des données magnétiques considérablement plus rapidement et en utilisant moins d'énergie.

Depuis près de soixante-dix ans maintenant, des bandes magnétiques et des disques durs ont été utilisés pour le stockage de données dans des ordinateurs. Malgré les nombreuses nouvelles technologies qui ont été développées entre-temps, l'aimantation contrôlée d'un support de stockage de données reste le premier choix pour l'archivage d'informations en raison de sa longévité et de son faible prix. En tant que moyen de réaliser des mémoires à accès aléatoire (RAM), cependant, qui sont utilisées comme mémoire principale pour le traitement des données dans les ordinateurs, les technologies de stockage magnétique ont longtemps été considérées comme inadéquates. Cela est principalement dû à sa faible vitesse d'écriture et à sa consommation d'énergie relativement élevée.

Pietro Gambardella, Professeur au Département des matériaux de l'EPF de Zurich, et ses collègues, avec des collègues du Département de physique et de l'Institut Paul Scherrer (PSI), ont maintenant montré qu'en utilisant une nouvelle technique, le stockage magnétique peut toujours être réalisé très rapidement et sans gaspillage d'énergie.

Inversion de magnétisation sans bobines

Dans les technologies traditionnelles de stockage de données magnétiques, des supports de données à bande ou à disque revêtus d'un alliage de cobalt sont utilisés. Une bobine porteuse de courant produit un champ magnétique qui modifie la direction de magnétisation dans une petite partie du support de données. Par rapport aux vitesses des processeurs modernes, cette procédure est très lente, et la résistance électrique des bobines entraîne une perte d'énergie. Ce serait, donc, être bien mieux si l'on pouvait changer la direction de magnétisation directement, sans faire de détour par des bobines magnétiques.

En 2011, Gambardella et ses collègues ont déjà démontré une technique qui pourrait faire exactement cela :un courant électrique passant à travers un film semi-conducteur spécialement revêtu a inversé la magnétisation dans un minuscule point métallique. Ceci est rendu possible par un effet physique appelé spin-orbite-torque. A cet effet, un courant circulant dans un conducteur entraîne une accumulation d'électrons de moment magnétique opposé (spins) sur les bords du conducteur. L'électron tourne, à son tour, créer un champ magnétique qui fait que les atomes d'un matériau magnétique voisin modifient l'orientation de leurs moments magnétiques. Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont maintenant étudié comment ce processus fonctionne en détail et à quelle vitesse il est. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie .

Résolution spatiale avec les rayons X

Dans leur expérience, les chercheurs ont inversé la magnétisation d'un point de cobalt d'un diamètre de seulement 500 nanomètres à l'aide d'impulsions de courant électrique qui traversaient un fil de platine adjacent. Au cours de ce processus, ils ont exposé le point de cobalt à des rayons X fortement focalisés qui ont été créés à la source lumineuse suisse du PSI. Les rayons X ont balayé le point successivement avec une résolution spatiale de 25 nanomètres. La force avec laquelle le point a absorbé les rayons X en un point particulier dépendait de la direction de magnétisation locale.

"De cette façon, nous avons obtenu une image bidimensionnelle de l'aimantation à l'intérieur du point de cobalt et avons pu observer comment l'impulsion de courant la modifiait progressivement", explique Manuel Baumgartner, auteur principal de l'étude et doctorant dans le groupe de recherche de Gambardella.

Les chercheurs ont ainsi pu observer que l'inversion de l'aimantation s'est produite en moins d'une nanoseconde – considérablement plus rapidement que dans d'autres techniques récemment étudiées. "De plus, nous pouvons maintenant prédire sur la base des paramètres expérimentaux quand et où l'inversion d'aimantation commence et où elle se termine", Gambardella ajoute. Dans d'autres techniques, l'inversion est également entraînée par un courant électrique, mais il est déclenché par des fluctuations thermiques dans le matériau, ce qui provoque de grandes variations dans le moment de l'inversion.

Application possible dans les RAM

Les chercheurs ont envoyé jusqu'à un billion d'impulsions d'inversion à travers le point de cobalt à une fréquence de 20 MHz sans observer de réduction de la qualité de l'inversion de magnétisation. "Cela nous donne l'espoir que notre technologie soit adaptée aux applications dans les RAM magnétiques", déclare Kevin Garello, ancien postdoctorant de Gambardella, également un auteur principal de l'étude. Garello travaille maintenant au centre de recherche IMEC à Louvain, La Belgique, enquêter sur la réalisation commerciale de la technique.

Dans un premier temps, les chercheurs souhaitent maintenant optimiser leurs matériaux afin de faire fonctionner l'inversion encore plus rapidement et à des courants plus faibles. Une possibilité supplémentaire est d'améliorer la forme des points de cobalt. Pour l'instant, ceux-ci sont circulaires, mais d'autres formes telles que des ellipses ou des losanges pourraient rendre l'inversion d'aimantation encore plus efficace, disent les chercheurs. Les RAM magnétiques pourraient, entre autres, rendre le chargement du système d'exploitation lors du démarrage d'un ordinateur obsolète - les programmes pertinents resteraient dans la mémoire de travail même lorsque l'alimentation est coupée.