Crédit :Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH)
Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) et de l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud ont démontré une nouvelle façon d'améliorer l'efficacité énergétique d'un dispositif de mémoire magnétique non volatile appelé SOT-MRAM. Publié dans Matériaux avancés , cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre d'opportunités passionnantes pour les futures mémoires magnétiques à haut rendement énergétique basées sur la spintronique.
Dans les ordinateurs modernes, la mémoire vive (RAM) est utilisée pour stocker des informations. La SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque Magnetic RAM) est l'un des principaux candidats pour les technologies de mémoire de nouvelle génération qui visent à surpasser les performances des différentes mémoires RAM existantes. La SOT-MRAM peut fonctionner plus rapidement que la RAM la plus rapide existante (SRAM) et conserver les informations même après la mise hors tension de l'alimentation électrique, alors que toutes les RAM rapides existantes aujourd'hui perdent des informations dès que l'alimentation en énergie est coupée. Le niveau actuel de la technologie SOT-MRAM n'est pas satisfaisant, cependant, en raison de sa forte demande énergétique; il nécessite une alimentation en énergie importante (ou un courant important) pour écrire des informations. La réduction de la demande d'énergie et l'amélioration de l'efficacité énergétique constituent un problème majeur pour la SOT-MRAM.
Dans la SOT-MRAM, les directions de magnétisation de minuscules aimants stockent des informations et des quantités d'écriture pour modifier les directions de magnétisation dans les directions souhaitées. Le changement de direction de magnétisation est obtenu par un phénomène physique spécial appelé SOT qui modifie la direction de magnétisation lorsqu'un courant est appliqué. Pour améliorer l'efficacité énergétique, les aimants doux sont le choix de matériau idéal pour les minuscules aimants car leurs directions de magnétisation peuvent être facilement modifiées par un petit courant. Les aimants mous sont un mauvais choix pour le stockage sûr des informations car leur direction de magnétisation peut être modifiée même lorsqu'elle n'est pas prévue, en raison du bruit thermique ou d'un autre bruit. Pour cette raison, la plupart des tentatives de construction du SOT-MRAM adoptent des aimants durs, car ils magnétisent très fortement et leur direction de magnétisation n'est pas facilement modifiée par le bruit. Mais ce choix de matériau rend inévitablement l'efficacité énergétique de la SOT-MRAM médiocre.
Représentation schématique d'un prototype de mémoire non volatile basé sur Fe3GeTe2. Fe3GeTe2 est un ferromagnétique, où ses spins (petites flèches blanches) s'alignent dans la même direction. L'orientation des spins définit 1 ou 0 bits binaires. a) Etat initial, où l'information 0 est enregistrée. b) Pour écrire de nouvelles informations, un petit courant (flèche orange) est appliqué, qui change le matériau d'un aimant dur à un aimant doux afin que les informations stockées puissent être facilement modifiées (par exemple, de 0 à 1). c) Une fois le courant coupé, le matériau redevient un aimant dur, et l'information 1 écrite à l'étape b) peut être conservée longtemps sans aucune alimentation externe, ce qui en fait une mémoire non volatile. Crédit :POSTECH &SNU
Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Hyun-Woo Lee du département de physique de POSTECH et le professeur Je-Geun Park du département de physique de l'Université nationale de Séoul (ancien directeur associé du Center for Correlated Electron Systems au sein de l'Institute for Basic Science en Corée), a démontré un moyen d'améliorer l'efficacité énergétique sans sacrifier la demande de stockage sûr. Ils ont signalé que le tellurure de fer germanium ultra-mince (Fe
« Les propriétés fascinantes des matériaux stratifiés ne cessent de m'étonner :le courant à travers le FGT induit un type très inhabituel de couple spin-orbite (SOT), qui modifie le profil énergétique de ce matériau pour le faire passer d'un aimant dur à un aimant doux. Cela contraste clairement avec le SOT produit par d'autres matériaux, qui peut changer la direction de magnétisation mais ne peut pas passer d'un aimant dur à un aimant doux, " explique le professeur Lee.
Des expériences menées par le groupe du professeur Park ont révélé que ce dispositif de mémoire magnétique à base de FGT est très économe en énergie. En particulier, l'amplitude mesurée du SOT par densité de courant appliquée est supérieure de deux ordres de grandeur aux valeurs rapportées précédemment pour d'autres matériaux candidats pour le SOT-MRAM.
Le prototype construit avec le métal ferromagnétique Fe3GeTe2 (FGT, rouge) a un gigantesque SOT dont la force effective du champ magnétique est de deux ordres de grandeur plus grande que les autres prototypes SOT-MRAM. Les chercheurs ont mesuré une intensité de champ magnétique effective due au SOT à environ 50 Oersted pour une faible densité de courant de 1 mA/μm2. Les matériaux ferromagnétiques alignent leurs spins dans la même direction en dessous de la température de Curie (Tc). Crédit :POSTECH &SNU
« Le contrôle des états magnétiques avec un faible courant est essentiel pour la prochaine génération d'appareils économes en énergie. Ceux-ci seront capables de stocker de plus grandes quantités de données et de permettre un accès aux données plus rapide que les mémoires électroniques d'aujourd'hui, tout en consommant moins d'énergie, " note le Dr Kaixuan Zhang qui est chef d'équipe dans le groupe du professeur Park, intéressé à étudier l'application de la physique quantique corrélée dans les dispositifs spintroniques.
"Nos découvertes ouvrent une voie fascinante d'applications de modulation électrique et de spintronique utilisant des matériaux magnétiques en couches 2-D, " clôt le professeur Lee.
