Dans un travail qui pourrait aider à rendre possible un travail plus rapide, méthode de stockage de données plus durable et moins énergivore pour les consommateurs et les entreprises, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont développé une technique d'imagerie et d'étude d'une classe prometteuse de dispositifs magnétiques avec 10 fois plus de détails que les microscopes optiques.

Les matériaux magnétiques ont attiré un nombre croissant de chercheurs désireux de stocker et de lire plus rapidement des morceaux d'informations numériques. Dans un système magnétique, les données sont codées par le sens de l'aimantation :un barreau aimanté avec son pôle nord pointant vers le haut peut représenter le code binaire "0, " tandis que le même aimant avec son pôle nord pointant vers le bas peut représenter un " 1 ". Contrairement à la puce informatique à semi-conducteur standard, les dispositifs de mémoire magnétique peuvent conserver des informations même si l'alimentation est coupée.

En contrôlant quand et à quelle vitesse la magnétisation peut être inversée sans dépenser une puissance électrique importante, les scientifiques espèrent améliorer une technologie existante appelée Magnetic Random Access Memory, ou MRAM, en un outil de lecture de premier plan, écrire et stocker des informations. La MRAM n'est pas encore compétitive par rapport aux autres méthodes existantes de stockage de données telles que la mémoire flash RAM, mais offre des avantages par rapport aux technologies actuelles telles qu'une consommation d'énergie réduite.

Pour réaliser la promesse de la MRAM, les chercheurs sondent la structure magnétique à l'échelle nanométrique de films métalliques minces qui ont le potentiel de servir de dispositifs de mémoire dans la MRAM. Au NIST, Ian Gilbert et ses collègues ont utilisé une technique d'imagerie électronique à haute résolution, développé par le physicien John Unguris, examiner la nanostructure des films magnétiques avant et après l'inversion de leur aimantation.

La technique, microscopie électronique à balayage avec analyse de polarisation (SEMPA), utilise un faisceau d'électrons diffusés à partir d'un film mince pour révéler la topographie à l'échelle nanométrique, rempli de collines et de vallées miniatures, de la surface du film. Les électrons éjectés de la surface par le faisceau d'électrons entrant sont également détectés et séparés selon la direction de leur spin, une propriété quantique qui confère aux particules chargées un moment angulaire intrinsèque et un champ magnétique minuscule. La direction des spins des électrons éjectés révèle des variations dans la structure magnétique de l'échantillon - des changements dans la direction de l'aimantation - à une échelle environ 10 fois plus petite que celle observée avec un microscope optique.

La capacité de SEMPA à discerner de minuscules structures magnétiques est essentielle car les ingénieurs fabriquent des dispositifs de mémoire magnétique de plus en plus petits, a noté Gilbert. Avec SEMPA, "on peut voir ces textures vraiment fines dans l'aimantation, " il a dit.

Gilbert et ses collaborateurs, qui comprennent des scientifiques du NIST et de l'Université du Maryland, ont également utilisé le spin des électrons pour inverser l'aimantation dans leur échantillon de couche mince, un alliage de cobalt, fer et bore. En faisant passer un petit courant électrique à travers une bande sous-jacente d'un film métallique non magnétique tel que le platine, l'équipe a créé un flux d'électrons dont les spins pointent tous dans la même direction. Lorsque ce flux d'électrons, connu sous le nom de courant de spin, passé à travers le film mince magnétique, leur rotation a exercé une petite force de torsion, ou couple, sur les régions magnétiques du film. Le couple était suffisamment important pour faire tourner et inverser la magnétisation.

Les images SEMPA prises avant l'application d'un courant ont révélé que la direction de l'aimantation variait, à l'échelle nanométrique, à travers l'échantillon de couche mince. Chaque petite région de l'échantillon a son propre axe préféré le long duquel les points d'aimantation, dit Gilbert. L'équipe a récemment publié ses conclusions dans la revue Examen physique B .

De telles variations à l'échelle nanométrique de l'aimantation pourraient devenir cruciales à documenter, dit Gilbert, pour les ingénieurs essayant d'optimiser les performances d'un dispositif de mémoire magnétique. La variation de la direction de l'aimantation pourrait également affecter la capacité du spin électronique à inverser l'aimantation.

"Au lieu de faire basculer la magnétisation vers le haut ou vers le bas, le courant de spin fait basculer l'aimantation le long de quel que soit son axe local [spin] préféré, " note Gilbert. La variation de la direction de magnétisation suggère que les matériaux utilisés pour les dispositifs de mémoire magnétique peuvent avoir besoin d'être doucement chauffés, un processus qui aligne les domaines magnétiques à l'échelle nanométrique.

Dans un travail séparé, Les scientifiques du NIST Mark Stiles et Vivek Amin, qui a une nomination conjointe avec l'Université du Maryland, se concentrer sur la théorie décrivant le couple mesuré dans les expériences SEMPA. Là, un flux d'électrons polarisés générés dans une bande métallique non magnétique interagit avec l'aimantation d'un matériau sus-jacent. En particulier, l'équipe a développé un modèle qui peut aider à déterminer quel groupe d'électrons polarisés joue le rôle le plus important dans l'inversion de la direction de l'aimantation dans le matériau adjacent, ceux provenant de la surface du matériau non magnétique ou ceux de l'intérieur.

La réponse pourrait guider la fabrication de dispositifs de mémoire magnétique plus efficaces. Par exemple, déterminer quel groupe d'électrons sont les acteurs dominants pourrait suggérer des moyens de minimiser le courant nécessaire pour inverser l'aimantation, dit Stiles.

"À l'heure actuelle, nous sommes en train de faire connaître le modèle aux expérimentateurs, essayer de les amener à l'utiliser pour mieux comprendre leurs données, " il a noté.