Lorsque vous enregistrez une image sur votre smartphone, ces données sont écrites sur de minuscules transistors qui sont allumés ou éteints électriquement dans un motif de "bits" pour représenter et coder cette image. La plupart des transistors d'aujourd'hui sont fabriqués à partir de silicium, un élément que les scientifiques ont réussi à basculer à des échelles toujours plus petites, permettant des milliards de bits, et donc de grandes bibliothèques d'images et autres fichiers, à emballer sur une seule puce mémoire.

Mais la demande croissante de données, et les moyens de les stocker, pousse les scientifiques à chercher au-delà du silicium des matériaux capables de pousser les dispositifs de mémoire à des densités plus élevées, vitesses, et sécurité.

Maintenant, les physiciens du MIT ont montré des preuves préliminaires que les données pourraient être stockées plus rapidement, plus dense, et des bits plus sûrs fabriqués à partir d'antiferromagnétiques.

Antiferromagnétique, ou les matériaux AFM sont les cousins ​​moins connus des ferroaimants, ou des matériaux magnétiques conventionnels. Là où les électrons des ferroaimants tournent en synchronie, une propriété qui permet à l'aiguille d'une boussole de pointer vers le nord, suivant collectivement le champ magnétique terrestre - les électrons dans un antiferromagnétique préfèrent le spin opposé à leur voisin, dans un "anti-alignement" qui éteint efficacement la magnétisation même aux plus petites échelles.

L'absence d'aimantation nette dans un antiferromagnétique le rend imperméable à tout champ magnétique extérieur. S'ils ont été transformés en dispositifs de mémoire, les bits antiferromagnétiques pourraient protéger toute donnée codée contre l'effacement magnétique. Ils pourraient également être transformés en transistors plus petits et emballés en plus grand nombre par puce que le silicium traditionnel.

Maintenant, l'équipe du MIT a découvert qu'en dopant des électrons supplémentaires dans un matériau antiferromagnétique, ils peuvent activer et désactiver son agencement anti-aligné collectif, de manière contrôlable. Ils ont trouvé que cette transition magnétique est réversible, et suffisamment pointu, similaire à la commutation de l'état d'un transistor de 0 à 1. Les résultats, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , démontrer une nouvelle voie potentielle pour utiliser les antiferromagnétiques comme commutateur numérique.

"Une mémoire AFM pourrait permettre d'augmenter la capacité de stockage de données des appareils actuels - même volume, mais plus de données, " déclare l'auteur principal de l'étude, Riccardo Comin, professeur assistant de physique au MIT.

Les co-auteurs du MIT de Comin comprennent l'auteur principal et étudiant diplômé Jiarui Li, avec Zhihai Zhu, Grâce Zhang, et Da Zhou; ainsi que Roberg Green de l'Université de la Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Soleil, et Shriram Ramanathan de l'Université Purdue; Ronny Sutarto et Feizhou He de Canadian Light Source; et Jerzy Sadowski au Laboratoire national de Brookhaven.

Mémoire magnétique

Pour améliorer le stockage des données, certains chercheurs se tournent vers la MRAM, ou RAM magnétorésistive, un type de système de mémoire qui stocke les données sous forme de bits fabriqués à partir de matériaux magnétiques conventionnels. En principe, un dispositif MRAM serait modelé avec des milliards de bits magnétiques. Pour encoder des données, la direction d'un domaine magnétique local à l'intérieur du dispositif est inversée, similaire à la commutation d'un transistor de 0 à 1.

Les systèmes MRAM pourraient potentiellement lire et écrire des données plus rapidement que les appareils à base de silicium et pourraient fonctionner avec moins d'énergie. Mais ils pourraient aussi être vulnérables aux champs magnétiques externes.

"Le système dans son ensemble suit un champ magnétique comme un tournesol suit le soleil, c'est pourquoi, si vous prenez un périphérique de stockage de données magnétique et le placez dans un champ magnétique modéré, les informations sont complètement effacées, " dit Comin.

Antiferromagnétiques, en revanche, ne sont pas affectés par les champs externes et pourraient donc être une alternative plus sûre aux conceptions MRAM. Une étape essentielle vers les bits AFM encodables est la possibilité d'activer et de désactiver l'antiferromagnétisme. Les chercheurs ont trouvé diverses façons d'y parvenir, principalement en utilisant le courant électrique pour changer un matériau de son anti-alignement ordonné, à un désordre aléatoire des spins.

« Avec ces approches, la commutation est très rapide, " dit Li. " Mais l'inconvénient est, chaque fois que vous avez besoin d'un courant pour lire ou écrire, cela demande beaucoup d'énergie par opération. Quand les choses deviennent très petites, l'énergie et la chaleur générées par les courants courants sont importantes."

Trouble dopé

Comin et ses collègues se sont demandé s'ils pouvaient réaliser une commutation antiferromagnétique d'une manière plus efficace. Dans leur nouvelle étude, ils travaillent avec du nickelate de néodyme, un oxyde antiferromagnétique développé dans le laboratoire de Ramanathan. Ce matériau présente des nanodomaines constitués d'atomes de nickel de spin opposé à celui de son voisin, et maintenus ensemble par des atomes d'oxygène et de néodyme. Les chercheurs avaient déjà cartographié les propriétés fractales du matériau.

Depuis, les chercheurs ont cherché à savoir s'ils pouvaient manipuler l'antiferromagnétisme du matériau via le dopage, un processus qui introduit intentionnellement des impuretés dans un matériau pour modifier ses propriétés électroniques. Dans leur cas, les chercheurs ont dopé l'oxyde de nickel néodyme en dépouillant le matériau de ses atomes d'oxygène.

Lorsqu'un atome d'oxygène est retiré, il laisse derrière lui deux électrons, qui sont redistribués parmi les autres atomes de nickel et d'oxygène. Les chercheurs se sont demandé si l'élimination de nombreux atomes d'oxygène entraînerait un effet domino de désordre qui désactiverait l'anti-alignement ordonné du matériau.

Pour tester leur théorie, ils ont fait pousser des films minces de 100 nanomètres d'oxyde de néodyme et de nickel et les ont placés dans une chambre privée d'oxygène, puis chauffé les échantillons à des températures de 400 degrés Celsius pour encourager l'oxygène à s'échapper des films et dans l'atmosphère de la chambre.

Au fur et à mesure qu'ils éliminaient de plus en plus d'oxygène, ils ont étudié les films en utilisant des techniques avancées de cristallographie aux rayons X magnétiques pour déterminer si la structure magnétique du matériau était intacte, ce qui implique que ses spins atomiques sont restés dans leur anti-alignement ordonné, et donc conservé l'antiféromagnétisme. Si leurs données montraient l'absence d'une structure magnétique ordonnée, ce serait la preuve que l'antiferromagnétisme du matériau s'est éteint, en raison d'un dopage suffisant.

A travers leurs expériences, les chercheurs ont pu désactiver l'antiferromagnétisme du matériau à un certain seuil critique de dopage. Ils pourraient également restaurer l'antiferromagnétisme en rajoutant de l'oxygène dans le matériau.

Maintenant que l'équipe a montré que le dopage active et désactive efficacement l'AFM, les scientifiques pourraient utiliser des moyens plus pratiques pour doper des matériaux similaires. Par exemple, les transistors à base de silicium sont commutés à l'aide de "portes activées par la tension, " où une petite tension est appliquée à un bit pour modifier sa conductivité électrique. Comin dit que les bits antiferromagnétiques pourraient également être commutés en utilisant des portes de tension appropriées, qui nécessiterait moins d'énergie que d'autres techniques de commutation antiferromagnétique.

« Cela pourrait présenter une opportunité de développer un dispositif de stockage à mémoire magnétique qui fonctionne de manière similaire aux puces à base de silicium, avec l'avantage supplémentaire que vous pouvez stocker des informations dans des domaines AFM qui sont très robustes et peuvent être compressés à des densités élevées, ", déclare Comin. "C'est la clé pour relever les défis d'un monde axé sur les données."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.