Les matériaux magnétiques sont l'épine dorsale des technologies de l'information numériques modernes, comme le stockage sur disque dur. Une équipe dirigée par l'Université de Washington est maintenant allée plus loin en codant des informations à l'aide d'aimants qui ne sont que quelques couches d'atomes d'épaisseur. Cette percée pourrait révolutionner à la fois les technologies de cloud computing et l'électronique grand public en permettant le stockage de données à une plus grande densité et une meilleure efficacité énergétique.

Dans une étude publiée en ligne le 3 mai dans la revue Science , les chercheurs rapportent qu'ils ont utilisé des piles de matériaux ultrafins pour exercer un contrôle sans précédent sur le flux d'électrons en fonction de la direction de leurs spins, où les « tours » d'électrons sont analogues à de minuscules, aimants subatomiques. Les matériaux qu'ils ont utilisés comprennent des feuilles de tri-iodure de chrome (CrI3), un matériau décrit en 2017 comme le tout premier isolant magnétique 2D. Quatre feuilles, chacune d'une épaisseur d'atomes seulement, ont créé le système le plus fin à ce jour qui peut bloquer les électrons en fonction de leurs spins tout en exerçant un contrôle plus de 10 fois plus fort que les autres méthodes.

"Notre travail révèle la possibilité de pousser le stockage d'informations basé sur les technologies magnétiques à la limite atomiquement mince, " a déclaré le co-auteur principal Tiancheng Song, un doctorant UW en physique.

Dans des recherches connexes, publié le 23 avril dans Nature Nanotechnologie , l'équipe a trouvé des moyens de contrôler électriquement les propriétés magnétiques de cet aimant atomiquement mince.

"Avec la croissance explosive de l'information, le défi est de savoir comment augmenter la densité de stockage des données tout en réduisant l'énergie de fonctionnement, " a déclaré l'auteur correspondant Xiaodong Xu, un professeur UW de physique et de science et ingénierie des matériaux, et chercheur universitaire à l'UW Clean Energy Institute. "La combinaison des deux travaux indique la possibilité de concevoir des dispositifs de mémoire magnétique atomiquement minces avec des ordres de grandeur de consommation d'énergie inférieurs à ce qui est actuellement réalisable."

Le nouveau Science papier examine également comment ce matériau pourrait permettre un nouveau type de stockage de mémoire qui exploite les spins des électrons dans chaque feuille individuelle.

Les chercheurs ont pris en sandwich deux couches de CrI3 entre des feuilles conductrices de graphène. Ils ont montré que, selon la façon dont les spins sont alignés entre chacune des feuilles CrI3, les électrons peuvent soit circuler sans entrave entre les deux feuilles de graphène, soit être largement bloqués. Ces deux configurations différentes pourraient servir de bits - les zéros et les uns du code binaire dans l'informatique de tous les jours - pour coder les informations.

« Les unités fonctionnelles de ce type de mémoire sont les jonctions tunnel magnétiques, ou MTJ, qui sont des « portes » magnétiques qui peuvent supprimer ou laisser passer le courant électrique en fonction de la façon dont les spins s'alignent dans la jonction, " a déclaré le co-auteur principal Xinghan Cai, un chercheur postdoctoral de l'UW en physique. "Une telle porte est essentielle à la réalisation de ce type de stockage de données à petite échelle."

Avec jusqu'à quatre couches de CrI3, l'équipe a découvert le potentiel du stockage d'informations "multi-bit". En deux couches de CrI3, les spins entre chaque couche sont soit alignés dans le même sens, soit dans des sens opposés, conduisant à deux vitesses différentes que les électrons peuvent traverser la grille magnétique. Mais avec trois et quatre couches, il y a plus de combinaisons pour les tours entre chaque couche, menant à plusieurs, vitesses distinctes auxquelles les électrons peuvent circuler à travers le matériau magnétique d'une feuille de graphène à l'autre.

"Au lieu que votre ordinateur n'ait que deux choix pour stocker une donnée, il peut avoir un choix A, B, C, même D et au-delà, " a déclaré le co-auteur Bevin Huang, un doctorant UW en physique. « Donc, non seulement les périphériques de stockage utilisant des jonctions CrI3 seraient plus efficaces, mais ils stockeraient intrinsèquement plus de données."

Les matériaux et l'approche des chercheurs représentent une amélioration significative par rapport aux techniques existantes dans des conditions opératoires similaires utilisant de l'oxyde de magnésium, qui est plus épais, moins efficace pour bloquer les électrons et n'a pas l'option de stockage d'informations multi-bits.

"Bien que notre appareil actuel nécessite des champs magnétiques modestes et ne fonctionne qu'à basse température, infaisable pour une utilisation dans les technologies actuelles, le concept de l'appareil et le principe de fonctionnement sont nouveaux et révolutionnaires, " a déclaré Xu. "Nous espérons qu'avec un contrôle électrique développé du magnétisme et une certaine ingéniosité, ces jonctions tunnel peuvent fonctionner avec un champ magnétique réduit voire sans besoin à haute température, ce qui pourrait changer la donne pour la nouvelle technologie de mémoire."