Des chercheurs de l'UC Berkeley et de l'UC Riverside ont développé un nouveau procédé ultrarapide de contrôle électrique du magnétisme de certains métaux, une percée qui pourrait conduire à des performances considérablement accrues et à des technologies de mémoire et de traitement informatiques plus économes en énergie.

Les conclusions du groupe, dirigé par le professeur de génie électrique et informatique (EECS) de Berkeley, Jeffrey Bokor, sont publiés dans une paire d'articles dans les revues Avancées scientifiques (Vol. 3, n° 49, 3 novembre 2017) et Lettres de physique appliquée (Tome III, Numéro 4, 24 juillet 2017).

Les ordinateurs utilisent différents types de technologies de mémoire pour stocker les données. Memoire à long terme, généralement un disque dur ou un lecteur flash, doit être dense afin de stocker autant de données que possible. Mais l'unité centrale de traitement (CPU), le matériel qui permet aux ordinateurs de calculer, nécessite sa propre mémoire pour le stockage à court terme des informations pendant l'exécution des opérations. La mémoire vive (RAM) est un exemple d'une telle mémoire à court terme.

La lecture et l'écriture de données dans la RAM doivent être extrêmement rapides afin de suivre les calculs du processeur. La plupart des technologies RAM actuelles sont basées sur la rétention de charge (électron), et peut être écrit à des taux de milliards de bits par seconde (ou bits/nanoseconde). L'inconvénient de ces technologies basées sur la charge est qu'elles sont volatiles, nécessitant une alimentation constante, sinon ils perdront les données.

Dans les années récentes, alternatives magnétiques à la RAM, connue sous le nom de mémoire magnétique à accès aléatoire (MRAM), ont atteint le marché. L'avantage des aimants est qu'ils conservent les informations même lorsque la mémoire et le processeur sont hors tension, permettant des économies d'énergie. Mais cette efficacité se fait au détriment de la vitesse. Un défi majeur pour la MRAM a été d'accélérer l'écriture d'un seul bit d'information à moins de 10 nanosecondes.

"Le développement d'une mémoire non volatile aussi rapide que les mémoires à accès aléatoire basées sur la charge pourrait considérablement améliorer les performances et l'efficacité énergétique des appareils informatiques, " dit Bokor, qui est également chercheur principal à la Division des sciences des matériaux du Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab). "Cela nous a motivés à rechercher de nouvelles façons de contrôler le magnétisme dans les matériaux à des vitesses beaucoup plus élevées que dans la MRAM actuelle."

« Inspiré des récentes expériences aux Pays-Bas sur la commutation magnétique ultrarapide utilisant des impulsions laser courtes, nous avons construit des circuits spéciaux pour étudier comment les métaux magnétiques réagissent à des impulsions électriques aussi courtes que quelques billions de seconde, " ou picosecondes, dit le co-auteur Yang Yang (M.S.'13 Ph.D.'17 MSE). "Nous avons découvert que dans un alliage magnétique composé de gadolinium et de fer, ces impulsions électriques rapides peuvent changer la direction du magnétisme en moins de 10 picosecondes. C'est des ordres de grandeur plus rapides que toute autre technologie MRAM."

"L'impulsion électrique augmente temporairement l'énergie des électrons de l'atome de fer, " dit Richard Wilson, actuellement professeur adjoint de génie mécanique à l'UC Riverside qui a commencé son travail sur ce projet en tant que chercheur postdoctoral en EECS à Berkeley. "Cette augmentation d'énergie fait que le magnétisme des atomes de fer et de gadolinium exerce un couple les uns sur les autres, et conduit finalement à une réorientation des pôles magnétiques du métal. C'est une toute nouvelle façon d'utiliser les courants électriques pour contrôler les aimants."

Après leur première démonstration d'écriture électrique dans l'alliage spécial gadolinium-fer, l'équipe de recherche a cherché des moyens d'étendre sa méthode à une classe plus large de matériaux magnétiques. "Les propriétés magnétiques spéciales de l'alliage gadolinium-fer sont ce qui fait ce travail, " dit Charles-Henri Lambert, un postdoc Berkeley EECS. "Par conséquent, trouver un moyen d'étendre notre approche pour l'écriture électrique rapide à une classe plus large de matériaux magnétiques était un défi passionnant."

Relever ce dernier défi a fait l'objet d'une deuxième étude, Publié dans Lettres de physique appliquée en juillet. "Nous avons découvert que lorsque nous empilons un métal magnétique à un seul élément tel que le cobalt sur l'alliage gadolinium-fer, l'interaction entre les deux couches nous permet également de manipuler le magnétisme du cobalt à des échelles de temps sans précédent, " dit Jon Gorchon, une recherche postdoctorale dans la division des sciences des matériaux au Lawrence Berkeley Lab et à l'EECS à l'UC Berkeley.

"Ensemble, ces deux découvertes ouvrent la voie vers des mémoires magnétiques ultrarapides qui permettent une nouvelle génération de hautes performances, processeurs de calcul basse consommation à haute vitesse, mémoires non volatiles directement sur puce, " dit Bokor.