La microscopie à rayons X doux à transmission magnétique montre l'inverse de la circularité des spins dans les vortex magnétiques d'une rangée de nanodisques, après avoir appliqué une impulsion de champ magnétique de 1,5 nanoseconde. Le changement de gauche à droite n'est pas un changement d'éclairage, comme cela peut paraître, mais est plutôt dû au changement de contraste magnétique. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
La recherche à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory promet des cellules magnétiques à quatre bits au lieu des domaines magnétiques à deux bits des mémoires magnétiques standard. Les tourbillons magnétiques sont des tourbillons de champ magnétique, dans lequel les électrons tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Dans le centre bondé du bain à remous, les rotations pointent vers le bas ou vers le haut. Ces quatre orientations pourraient représenter des bits d'information séparés dans un nouveau type de mémoire, s'il est contrôlé indépendamment et simultanément.
« Nous avons dépensé 15 % de l'énergie domestique en gadgets en 2009, et nous achetons toujours plus de gadgets, " dit Peter Fischer du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie. Fischer vous fait savoir tout de suite que même si c'est la curiosité scientifique qui inspire ses recherches à l'Advanced Light Source (ALS) du laboratoire, il l'entend pour aider à résoudre des problèmes urgents.
"Ce sur quoi nous travaillons actuellement pourrait rendre ces gadgets des centaines de fois plus performants et aussi cent fois plus économes en énergie, " dit Fischer, scientifique à la Division des sciences des matériaux. En tant que chercheur principal au Center for X-Ray Optics, il dirige la ligne ALS 6.1.2, où il se spécialise dans les études du magnétisme.
Fischer a récemment apporté un soutien essentiel à une équipe dirigée par Vojtĕch Uhlíř de l'Université de technologie de Brno en République tchèque et le Center for Magnetic Recording Research de l'Université de Californie, San Diego. Des chercheurs des deux institutions et du Berkeley Lab ont utilisé les capacités uniques de la ligne de lumière 6.1.2 pour faire avancer un nouveau concept de mémoire magnétique.
"La mémoire magnétique est au cœur de la plupart des appareils électroniques, " dit Fischer, "et du point de vue du scientifique, le magnétisme consiste à contrôler le spin des électrons."
Les mémoires magnétiques stockent des bits d'information dans des unités discrètes dont les électrons tournent tous en parallèle, pointant dans un sens ou dans l'autre pour signifier un un ou un zéro. Ce que Fischer et ses collègues proposent est un stockage multibit dans lequel chaque unité a quatre états au lieu de deux et peut stocker deux fois plus d'informations.
La clé réside dans les tourbillons magnétiques – des tourbillons de champ magnétique – confinés dans de minuscules disques métalliques de quelques milliardièmes de mètre (nanomètres) de diamètre. Les spins des électrons recherchent l'énergie la plus faible possible; des tours qui pointent dans des directions opposées, antiparallèle, coûter de l'énergie. Ainsi les électrons s'alignent avec tous leurs spins pointant dans un cercle, dans le sens horaire ou antihoraire autour du disque.
Au coeur du vortex, cependant, où les cercles deviennent de plus en plus petits et les spins voisins s'aligneraient inévitablement de manière antiparallèle, ils ont tendance à s'incliner hors de l'avion, pointant vers le haut ou vers le bas.
« Donc, chaque disque a quatre bits au lieu de deux – la circularité gauche ou droite et la polarité haut ou bas du noyau – mais vous devez pouvoir contrôler l'orientation de chacun indépendamment, " dit Fischer.
L'électron tourne dans un vortex magnétique tout en parallèle, soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les vrilles dans le noyau encombré du vortex doivent pointer hors de l'avion, soit vers le haut, soit vers le bas. Les quatre orientations possibles de circularité et de polarité pourraient former les cellules des systèmes de stockage et de traitement magnétiques multibits. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
En haut, vers le bas, et autour – prendre le contrôle
Appliquer une forte, un champ magnétique externe stable peut inverser la polarité du noyau, mais les appareils pratiques ne tolèrent pas les champs forts, et ils ont besoin de commutateurs plus rapides. Des chercheurs précédents de l'ALS avaient découvert qu'avec de faibles champs magnétiques oscillants dans le plan du nanodisque, ils pouvaient rapidement déplacer le noyau hors de sa position centrale et obtenir le même résultat.
"Au lieu d'un champ statique, tu le bouges, " explique Fischer. Au fur et à mesure que le noyau est éloigné du centre du disque, des ondes magnétiques successives - des changements d'orientation de spin - déplacent le noyau de plus en plus vite jusqu'à ce que sa polarité bascule dans l'orientation opposée.
L'équipe a utilisé la ligne de lumière ALS 6.1.2 pour démontrer, pour la première fois, que des méthodes similaires peuvent contrôler la circularité des tourbillons magnétiques.
Dans ce cas, le "wiggle" entraîne le noyau juste à côté du bord du disque. Une fois expulsé, le vortex s'effondre et se reforme, avec des vrilles pointant dans le sens inverse :dans le sens des aiguilles d'une montre au lieu du sens inverse des aiguilles d'une montre, ou vice versa.
Beamline 6.1.2 est spécialisé dans la microscopie à transmission de rayons X doux des états magnétiques, ce qui a permis aux chercheurs de créer des images directes de la manière dont la force et la durée des trains d'impulsions électriques et magnétiques affectaient la circularité du vortex. Ils ont découvert que le contrôle dépend de la géométrie du disque.
Les disques étaient tous effilés, avec des tranches diagonales sur leurs surfaces supérieures qui ont servi à accélérer le noyau, une fois qu'il a commencé à bouger. Mais l'épaisseur et le diamètre étaient les facteurs importants :plus le disque est petit, le meilleur.
Les disques "épais" (30 nanomètres) de plus de mille nanomètres de diamètre étaient des paresseux, prendre plus de trois nanosecondes pour changer de circularité. Mais des disques de seulement 20 nanomètres d'épaisseur et 100 nanomètres de diamètre pourraient changer d'orientation en moins d'une demi-nanoseconde.
Il reste beaucoup à faire avant que le multibit à quatre valeurs ne devienne pratique, La polarité peut être contrôlée, et la circularité peut être contrôlée, mais jusqu'à présent, ils ne peuvent pas être contrôlés en même temps. Des plans pour ce faire sont en cours d'élaboration.
"C'est la base scientifique d'éventuelles applications à venir, " dit Fischer. " Nous cherchons déjà des moyens de contrôler le spin avec la température et la tension, comment découpler complètement le spin des courants de charge, et même des moyens de coupler des chaînes de nanodisques ensemble pour construire des dispositifs logiques - pas seulement pour la mémoire, mais pour le calcul."
De l'avis de Fischer, les outils de microscopes à rayons X mous de l'ALS sont en pole position pour la course à la recherche sur le magnétisme. "Aucune autre méthode que la microscopie à rayons X ne peut fournir des informations aussi complètes, à la fois pour identifier les matériaux magnétiques et pour imager la dynamique la plus rapide des états magnétiques à l'échelle nanométrique. Les instruments dont nous disposons sont uniques et servent toute la communauté vortex, à l'échelle mondiale."
