Une image de microscopie électronique à balayage vue de dessus d'un dispositif à jonction tunnel magnétique. Crédit :K. Hayakawa et al.
Les chercheurs de l'Université de Tohoku ont, pour la première fois, a développé la technologie pour le fonctionnement en nanosecondes du bit probabiliste basé sur la spintronique (bit p) - surnommé "le bit quantique du pauvre" (q-bit).
Le regretté physicien R.P. Feynman a imaginé un ordinateur probabiliste capable de traiter les probabilités à grande échelle pour permettre un calcul efficace. "En utilisant la spintronique, notre dernière technologie a fait le premier pas dans la réalisation de la vision de Feynman, " dit Shun Kanai, professeur à l'Institut de recherche en communication électrique de l'Université du Tohoku et auteur principal de l'étude.
Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) sont le composant clé de la mémoire non volatile ou MRAM, une technologie de mémoire produite en masse qui utilise la magnétisation pour stocker des informations. Là, la fluctuation thermique constitue généralement une menace pour le stockage stable de l'information.
bits P, d'autre part, fonctionner avec ces fluctuations thermiques dans les MTJ thermiquement instables (stochastiques). Des recherches antérieures en collaboration entre l'Université du Tohoku et l'Université Purdue ont démontré un ordinateur probabiliste basé sur la spintronique à température ambiante composé de MTJ stochastiques avec des temps de relaxation de l'ordre de la milliseconde.
Afin de faire des ordinateurs probabilistes une technologie viable, il est nécessaire de développer des MTJ stochastiques avec des temps de relaxation beaucoup plus courts, ce qui réduit l'échelle de temps de fluctuation du p-bit. Cela augmenterait efficacement la vitesse/la précision du calcul.
Signal de tension transmis mesuré en temps réel qui reflète l'état de magnétisation ainsi que l'état du bit. Temps de relaxation, défini comme un temps de commutation moyen de plus de 100 millions de fois par seconde, a été observé. Crédit :K. Hayakawa et al.
Le groupe de recherche de l'Université du Tohoku, comprenant Kanai, le professeur Hideo Ohno (l'actuel président de l'Université du Tohoku), et le professeur Shunsuke Fukami, a produit un dispositif MTJ à l'échelle nanométrique avec un axe magnétique facile dans le plan (Fig. 1). La direction de magnétisation se met à jour toutes les 8 nanosecondes en moyenne, soit 100 fois plus vite que le précédent record du monde (Fig 2).
Le groupe a expliqué le mécanisme de ce temps de relaxation extrêmement court en utilisant l'entropie, une quantité physique utilisée pour représenter la stochasticité des systèmes qui n'avait pas été prise en compte auparavant pour la dynamique de magnétisation. Dériver une équation universelle régissant l'entropie dans la dynamique d'aimantation, ils ont découvert que l'entropie augmente rapidement dans les MTJ avec un axe facile dans le plan avec de plus grandes amplitudes d'anisotropie magnétique perpendiculaire. Le groupe a intentionnellement utilisé un axe magnétique facile dans le plan pour obtenir des temps de relaxation plus courts.
"Le MTJ développé est compatible avec les processus de fin de ligne actuels des semi-conducteurs et est très prometteur pour la réalisation future d'ordinateurs probabilistes hautes performances, " a ajouté Kanai. " Notre cadre théorique de la dynamique de l'aimantation, y compris l'entropie, a également une large implication scientifique, montrant finalement le potentiel de la spintronique pour contribuer à des questions discutables en physique statistique."
