Une nouvelle approche pour contrôler le magnétisme dans une puce électronique pourrait ouvrir les portes de la mémoire, l'informatique, et des dispositifs de détection qui consomment considérablement moins d'énergie que les versions existantes. L'approche pourrait également surmonter certaines des limitations physiques inhérentes qui ont jusqu'à présent ralenti les progrès dans ce domaine.

Des chercheurs du MIT et du Brookhaven National Laboratory ont démontré qu'ils peuvent contrôler les propriétés magnétiques d'un matériau en couche mince simplement en appliquant une petite tension. Les changements d'orientation magnétique effectués de cette manière restent dans leur nouvel état sans avoir besoin d'une alimentation continue, contrairement aux puces de mémoire standard d'aujourd'hui, l'équipe a trouvé.

La nouvelle découverte est publiée aujourd'hui dans le journal Matériaux naturels , dans un article de Geoffrey Beach, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et codirecteur du Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT; étudiant diplômé Aik Jun Tan; et huit autres au MIT et à Brookhaven.

Spin doctors

Alors que les puces de silicium se rapprochent des limites physiques fondamentales qui pourraient limiter leur capacité à continuer d'augmenter leurs capacités tout en réduisant leur consommation d'énergie, les chercheurs ont exploré une variété de nouvelles technologies qui pourraient contourner ces limites. L'une des alternatives prometteuses est une approche appelée spintronique, qui utilise une propriété des électrons appelée spin, au lieu de leur charge électrique.

Parce que les dispositifs spintroniques peuvent conserver leurs propriétés magnétiques sans avoir besoin d'une puissance constante, dont les puces mémoire au silicium ont besoin, ils ont besoin de beaucoup moins d'énergie pour fonctionner. Ils génèrent également beaucoup moins de chaleur, un autre facteur limitant majeur pour les appareils d'aujourd'hui.

Mais la technologie spintronique souffre de ses propres limites. L'un des principaux ingrédients manquants a été un moyen de contrôler facilement et rapidement les propriétés magnétiques d'un matériau électriquement, en appliquant une tension. De nombreux groupes de recherche dans le monde ont relevé ce défi.

Les tentatives précédentes se sont appuyées sur l'accumulation d'électrons à l'interface entre un aimant métallique et un isolant, en utilisant une structure de dispositif similaire à un condensateur. La charge électrique peut modifier les propriétés magnétiques du matériau, mais seulement d'une très petite quantité, ce qui le rend peu pratique pour une utilisation dans de vrais appareils. Il y a également eu des tentatives d'utiliser des ions au lieu d'électrons pour modifier les propriétés magnétiques. Par exemple, des ions oxygène ont été utilisés pour oxyder une fine couche de matériau magnétique, provoquant des changements extrêmement importants dans les propriétés magnétiques. Cependant, l'insertion et l'élimination des ions oxygène provoquent le gonflement et le rétrécissement du matériau, causant des dommages mécaniques qui limitent le processus à quelques répétitions, le rendant essentiellement inutile pour les appareils de calcul.

La nouvelle découverte montre un moyen de contourner cela, en utilisant des ions hydrogène au lieu des ions oxygène beaucoup plus gros utilisés dans les tentatives précédentes. Étant donné que les ions hydrogène peuvent entrer et sortir très facilement, le nouveau système est beaucoup plus rapide et offre d'autres avantages importants, disent les chercheurs.

Parce que les ions hydrogène sont tellement plus petits, ils peuvent entrer et sortir de la structure cristalline du dispositif spintronique, changer son orientation magnétique à chaque fois, sans endommager le matériel. En réalité, l'équipe a maintenant démontré que le procédé ne produit aucune dégradation de la matière après plus de 2, 000 cycles. Et, contrairement aux ions oxygène, l'hydrogène peut facilement traverser les couches métalliques, ce qui permet à l'équipe de contrôler les propriétés des couches en profondeur dans un appareil qui ne pourrait pas être contrôlé d'une autre manière.

"Quand vous pompez de l'hydrogène vers l'aimant, l'aimantation tourne, " Dit Tan. " Vous pouvez en fait changer la direction de l'aimantation de 90 degrés en appliquant une tension - et c'est entièrement réversible. " Puisque l'orientation des pôles de l'aimant est ce qui est utilisé pour stocker des informations, cela signifie qu'il est possible d'écrire et d'effacer facilement des « bits » de données dans des dispositifs spintroniques en utilisant cet effet.

Plage, dont le laboratoire a découvert le processus original de contrôle du magnétisme par les ions oxygène il y a plusieurs années, dit que la découverte initiale a déclenché une recherche généralisée sur un nouveau domaine surnommé « l'ionique magnétique, " et maintenant cette nouvelle découverte a " tourné à sa fin tout ce domaine ".

Essentiellement, La plage explique, lui et son équipe "essayent de faire un analogue magnétique d'un transistor, " qui peut être activé et désactivé à plusieurs reprises sans dégrader ses propriétés physiques.

Il suffit d'ajouter de l'eau

La découverte a eu lieu, en partie, par un heureux hasard. En expérimentant avec des matériaux magnétiques en couches à la recherche de moyens de modifier leur comportement magnétique, Tan a découvert que les résultats de ses expériences variaient considérablement d'un jour à l'autre pour des raisons qui n'étaient pas apparentes. Finalement, en examinant toutes les conditions lors des différents tests, il s'est rendu compte que la principale différence était l'humidité de l'air :l'expérience fonctionnait mieux les jours humides que les jours secs. La raison, il finit par comprendre, était que les molécules d'eau de l'air étaient divisées en oxygène et hydrogène sur la surface chargée du matériau, et tandis que l'oxygène s'échappait dans l'air, l'hydrogène s'est ionisé et pénétrait dans le dispositif magnétique et changeait son magnétisme.

Le dispositif que l'équipe a réalisé se compose d'un sandwich de plusieurs couches minces, comprenant une couche de cobalt où se produisent les changements magnétiques, pris en sandwich entre des couches d'un métal tel que le palladium ou le platine, et avec une couche d'oxyde de gadolinium, puis une couche d'or pour se connecter à la tension électrique d'entraînement.

Le magnétisme est commuté avec juste une brève application de tension, puis reste en place. L'inverser ne nécessite aucune alimentation, juste court-circuiter l'appareil pour connecter électriquement ses deux côtés, alors qu'une puce mémoire conventionnelle nécessite une alimentation constante pour maintenir son état. "Puisque vous appliquez juste une impulsion, la consommation d'énergie peut baisser considérablement, ", dit la plage.

Les nouveaux appareils, avec leur faible consommation d'énergie et leur vitesse de commutation élevée, pourrait éventuellement être particulièrement utile pour des appareils tels que l'informatique mobile, Plage dit, mais le travail est encore à un stade précoce et nécessitera un développement ultérieur.

"Je peux voir des prototypes en laboratoire d'ici quelques années ou moins, " dit-il. Faire une cellule de mémoire de travail complète est " assez complexe " et peut prendre plus de temps, il dit.