L'augmentation de température due au chauffage Joule est renforcée par la résistance thermique interfaciale à l'interface entre l'aimant métallique (couche libre) et l'isolant car la dissipation thermique est supprimée. L'augmentation de la température modifie la direction des pôles magnétiques de la couche libre (flèche rouge). La flèche noire représente la direction du pôle magnétique de la couche fixe. Crédit :Université d'Osaka, Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, et Université Grenoble Alpes
Des chercheurs de l'Université d'Osaka, en collaboration avec l'Institut National des Sciences et Technologies Industrielles Avancées (AIST) et l'Université Grenoble Alpes, rapportent une technique efficace pour contrôler la direction d'un aimant de taille nanométrique en chauffant à grande vitesse. Les chercheurs ont également découvert que les nano-aimants amplifient les signaux micro-ondes. Les réalisations de ce groupe contribueront à réduire la consommation d'énergie des dispositifs de mémoire vive magnétorésistive (MRAM) et d'intelligence artificielle (IA). Cela permettra aux appareils AI de lire et d'écrire dans leur mémoire plus efficacement, supprimant ainsi la consommation d'énergie des fonctions d'IA telles que l'apprentissage automatique et la prise de décision. C'est une autre étape vers la réalisation d'une société ultra-intelligente.
La réduction de la consommation d'énergie des appareils d'information et de communication signifie qu'ils pourraient continuer à fonctionner pendant longtemps, même en cas de catastrophe. La spintronique est un domaine largement étudié dans lequel la technologie MRAM a été développée à l'aide de jonctions tunnel magnétiques (MTJ). La MRAM utilise la direction d'un pôle magnétique pour stocker des informations, il peut donc conserver la mémoire sans alimentation en veille. En utilisant ces technologies, les chercheurs ont essayé de réduire la consommation d'énergie des appareils d'IA.
En contrôlant l'alignement magnétique d'un MTJ en utilisant un courant et une tension faibles, il est possible de réduire la consommation électrique de l'appareil. Cependant, le problème de la MRAM à couple de transfert de spin (STT-MRAM) est que sa tension augmente rapidement lorsque sa vitesse d'écriture est élevée, utilisant beaucoup de puissance.
Le groupe de recherche a découvert qu'il est possible d'écrire des informations en utilisant moins d'énergie que la STT-MRAM en modifiant l'anisotropie magnétique dans un MTJ en contrôlant la tension appliquée. Pour rendre cette méthode pratique, il est nécessaire d'augmenter l'amplitude de l'anisotropie magnétique commandée en tension. En plus de trouver des matériaux appropriés, d'autres méthodes pour changer l'anisotropie magnétique ont été recherchées.
Dépendance en tension continue de l'anisotropie du pôle magnétique de la couche libre. Les carrés pleins et vides représentent la direction de balayage de tension. La ligne rouge correspond à l'ajustement des données. Les lignes pointillées jaunes et bleues représentent les composantes linéaires et quadratiques du raccord, respectivement. Le premier est le changement d'anisotropie magnétique linéaire classique induit par la tension, et ce dernier est le changement d'anisotropie magnétique induit par le chauffage Joule. Crédit :Université d'Osaka, Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, et Université Grenoble Alpes
Les chercheurs ont réussi à induire un changement d'anisotropie magnétique géant dans un MTJ avec des couches à double isolant par chauffage Joule. Lorsque la température dans la couche métallique (libre) d'un MTJ augmente, changements d'anisotropie magnétique, il devient donc possible de changer la direction d'un pôle magnétique. Ils ont découvert que l'anisotropie magnétique dépendait de la tension de polarisation due au chauffage Joule. Cela montre que l'augmentation de température induite par le chauffage Joule a modifié l'anisotropie magnétique. Lorsque les chercheurs ont évalué la valeur maximale du changement d'anisotropie magnétique pour un champ électrique donné, la taille de l'effet thermique était de 300 fJ/Vm, qui était presque la même que la valeur maximale signalée du contrôle de tension rapide de l'anisotropie magnétique (VCMA) en utilisant un effet électronique pur. Bien que le courant d'effet thermique soit beaucoup plus important que le VCMA, il est plus efficace que le STT pour les applications à grande vitesse. En outre, cette valeur augmentera en améliorant le système de chauffage dans un MTJ.
Le groupe de recherche a également découvert qu'une micro-onde était amplifiée par un MTJ en utilisant le changement d'anisotropie magnétique géant. L'amplification par micro-ondes avait déjà été tentée à l'aide d'un champ magnétique à micro-ondes; cependant, la puissance micro-onde obtenue par les méthodes conventionnelles était de 0,005, et il n'y avait pas d'amplification. Le groupe a atteint une réflectivité de puissance micro-onde de 1,6 avec un champ magnétique de 50 mT et une fréquence micro-onde de 0,4 GHz; C'est, la micro-onde a été amplifiée d'environ 60 pour cent par rapport à la micro-onde d'entrée.
Schéma de l'amplification des micro-ondes (à gauche) et de la dépendance du champ magnétique des spectres de réflectivité de la puissance des micro-ondes (à droite). La micro-onde réfléchie est amplifiée par la tension continue (V
Le premier auteur Minori Goto dit, "Notre étude est le premier rapport d'amplification micro-ondes utilisant des dispositifs de spintronique. Cette recherche ouvrira la voie au développement de dispositifs micro-ondes haute performance. nous prévoyons que notre technologie sera appliquée à de nouveaux appareils à micro-ondes à haute sensibilité et à haut rendement. Cela contribuera également à la technologie à faible consommation d'énergie pour le matériel MRAM et AI. »
