La spintronique n'est peut-être pas le genre de mot qui revient dans les discussions de tous les jours, mais il révolutionne la technologie informatique depuis des années. C'est la branche de la physique qui consiste à manipuler le spin d'un flux d'électrons, qui ont d'abord atteint les consommateurs à la fin des années 1990 sous la forme de disques durs magnétiques avec plusieurs centaines de fois la capacité de stockage de leurs prédécesseurs.

Ces appareils électroniques et d'autres ont depuis été perfectionnés pour rendre les ordinateurs encore plus puissants, sans parler de beaucoup plus frais et plus économe en énergie, permettant tout, des lecteurs MP3 aux smartphones d'aujourd'hui. Intel et Google ont commencé à dévoiler des processeurs quantiques l'année dernière, et Samsung et Everspin ont lancé il y a quelques mois des puces MRAM (mémoire magnétique à accès aléatoire). Cette nouvelle technologie devrait améliorer considérablement les performances de calcul - selon une estimation, par exemple, la réduction potentielle des besoins en énergie pourrait être supérieure à 99 %.

Toutefois, toutes ces avancées ont été soumises à une limitation majeure :la manipulation du spin est confinée à une seule couche ultra-mince de matériau magnétique. Des dizaines de ces couches sont généralement empilées dans une structure "en sandwich", qui interagissent à travers des interfaces et interconnexions complexes, mais leur fonctionnalité est fondamentalement de nature 2-D.

Des leaders de l'industrie comme Stuart Parkin, qui a créé le disque dur d'ordinateur basé sur la spintronique d'IBM, le Titan Deskstar 16GP, disent depuis des années que l'un des plus grands défis de l'informatique magnétique est de passer à une version 3D beaucoup plus flexible et capable.

Cela verrait les informations transmises, stockées et traitées en tout point de l'empilement tridimensionnel des couches magnétiques. De récentes avancées pionnières commencent à rapprocher ce changement de paradigme, mais nous devons encore relever de grands défis pour atteindre le même degré de contrôle que nous avons dans les deux dimensions.

Dans un nouvel article dirigé par les universités de Glasgow et de Cambridge, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Hambourg, l'Université technique d'Eindhoven et l'École des sciences de l'Université Aalto, nous avons fait un pas important vers la réalisation de cet objectif.

Tours et charges

L'électronique traditionnelle est basée sur le fait que les électrons ont des charges électriques. Dans un ordinateur de base, les puces et autres unités transmettent des informations en envoyant et en recevant de minuscules impulsions électriques. Ils enregistrent un "un" pour une impulsion et un "zéro" pour aucune impulsion, et en les comptant sur des millions de répétitions, il devient la base d'un langage d'instructions.

Les disques durs magnétiques traditionnels reposent également sur des propriétés associées aux charges électriques, mais ils fonctionnent sur un principe différent, avec de très petites régions d'un disque magnétique plat enregistrant des zéros et des uns via ses deux orientations magnétiques possibles. Les lecteurs magnétiques ont le grand avantage que les données sont toujours là même lorsque l'alimentation est coupée, bien que l'information soit enregistrée et récupérée beaucoup plus lentement qu'en utilisant les transistors que l'on trouve dans les circuits informatiques.

La spintronique est différente :elle exploite à la fois la charge et le magnétisme intrinsèque des électrons, autrement dit son spin. La différence entre le spin et la charge est parfois comparée à la façon dont la Terre tourne autour du soleil mais tourne également sur son axe en même temps. Mais alors que les électrons sont toujours chargés négativement, ils peuvent tourner "vers le haut" ou "vers le bas".

Il a été découvert à la fin des années 1980 que si un courant électrique était conduit à travers un dispositif formé par une feuille non magnétique prise en sandwich entre deux feuilles magnétiques, la résistance de ce dispositif au flux d'électrons changerait considérablement en fonction de l'orientation des aimants à l'intérieur des deux feuilles magnétiques.

Cet effet a été facilement exploité dans les disques durs, avec ces systèmes spintroniques agissant comme des capteurs très sensibles qui pourraient lire beaucoup plus de zéros et de uns d'informations magnétiques dans la même zone que les disques durs précédents, transformant ainsi la capacité de stockage. Connu sous le nom de magnétorésistance géante, cela a donné plus tard le prix Nobel de physique à Albert Fert et Peter Grunberg, les deux scientifiques qui l'ont découvert simultanément.

Spintronique chirale

Depuis la naissance de la spintronique, il y a eu beaucoup d'avancées importantes, y compris certains récents passionnants dans un domaine appelé spintronique chirale. Alors que nous pensons généralement à deux aimants comme ayant un « nord » et un « sud » qui tournent l'un vers l'autre ou en s'éloignant l'un de l'autre le long d'une ligne de 180 ° — regardez la boussole vers la fin de cette vidéo par exemple — dans des conditions particulières, de minuscules aimants au niveau atomique présentent également des interactions de spin chirales. Cela signifie que les aimants voisins ont une préférence pour s'orienter à des angles de 90º.

L'existence de ces interactions est un ingrédient clé pour créer et manipuler des pseudo-particules appelées skyrmions magnétiques, qui ont des propriétés topologiques qui leur permettent de réaliser plus efficacement des applications de calcul, avec un énorme potentiel pour améliorer encore le stockage des données.

Jusqu'à maintenant, cependant, les interactions de spin chirales n'avaient été observées et exploitées qu'en spintronique 2-D. Dans notre nouveau papier, nous montrons pour la première fois que cette interaction peut également être créée entre des aimants situés au niveau de deux couches magnétiques voisines séparées par une couche métallique non magnétique ultra-mince.

Pour ça, nous avons créé un dispositif avec un total de huit couches en utilisant une technique appelée pulvérisation cathodique pour déposer des films minces à l'échelle nanométrique. Nous avons dû régler soigneusement les interfaces des couches pour équilibrer d'autres interactions magnétiques, et nous avons étudié le comportement du système sous champs magnétiques à température ambiante à l'aide de lasers. Le comportement de l'appareil a été confirmé par des simulations magnétiques complémentaires réalisées par notre collaborateur de l'Université de Hambourg.

Cette découverte ouvre de nouvelles voies passionnantes pour exploiter d'autres effets spintroniques 3D, avec des interactions de spin chirales jouant un rôle central pour créer des moyens plus compacts et efficaces de stocker et de déplacer des données magnétiques dans tout l'espace 3-D. Les travaux futurs se concentreront sur la recherche de moyens d'augmenter la force de cette interaction et d'élargir la gamme d'appareils où l'effet est présent. Nous espérons que nos travaux susciteront un grand intérêt au sein de la communauté spintronique et stimuleront l'industrie à continuer à travailler sur des dispositifs informatiques magnétiques basés sur ces concepts radicalement nouveaux.

Le premier impact de la spintronique sur le marché de l'informatique a été extrêmement rapide :il n'a fallu que huit ans entre la découverte de la magnétorésistance géante et le lancement du Deskstar 16GP Titan d'IBM en 1997. Le passage à la 3D doit encore surmonter de multiples obstacles, de la fabrication précise des dispositifs nécessaires à l'exploitation des interactions magnétiques dans des architectures informatiques non conventionnelles. Notre récente découverte nous rapproche un peu plus de cet objectif très ambitieux mais passionnant.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.