z
La puce produite par IMEC pour les expériences à l'ETH. Les jonctions tunnel utilisées pour mesurer le moment de l'inversion de l'aimantation sont situées au centre (Image avec l'aimable autorisation d'IMEC). Crédit :IMEC 
Il y a quelques années, les chercheurs ont montré qu'un certain effet physique, le couple spin-orbite, permet un stockage de données particulièrement rapide. Maintenant, Le groupe Gambardella et IMEC en Belgique ont résolu dans le temps la dynamique exacte d'un seul événement de stockage de ce type et ont utilisé quelques astuces pour le rendre encore plus rapide.
Magnétiser avec des tours simples
Le stockage magnétique des données nécessite d'inverser le sens de magnétisation d'un ferromagnétique (c'est-à-dire matériau magnétique en permanence) afin de représenter l'information sous forme de valeur logique, zéro ou un. Dans les technologies plus anciennes, tels que des bandes magnétiques ou des disques durs, ceci a été réalisé grâce à des champs magnétiques produits à l'intérieur de bobines porteuses de courant. Technologie MRAM moderne, par contre, utilise directement les spins des électrons, qui circulent directement à travers une couche magnétique sous forme de courant électrique. Dans les expériences de Gambardella, les électrons avec des directions de spin opposées sont spatialement séparés par l'interaction spin-orbite. Cette, à son tour, crée un champ magnétique efficace, qui peut être utilisé pour inverser la direction de magnétisation d'un petit point métallique.
"Nous savons d'expériences antérieures dans lesquelles nous avons scanné par stroboscopie un seul point métallique magnétique avec des rayons X que l'inversion de l'aimantation se produit très rapidement, en une nanoseconde environ, " dit Eva Grimaldi, un post-doc dans le groupe Gambardella. "Toutefois, il s'agissait de valeurs moyennes moyennées sur de nombreux événements d'inversion. Maintenant, nous voulions savoir exactement comment un tel événement se déroule et montrer qu'il peut fonctionner sur un dispositif de mémoire magnétique compatible avec l'industrie."
Résolution temporelle via une jonction tunnel
Faire cela, les chercheurs ont remplacé le point métallique isolé par une jonction tunnel magnétique. Une telle jonction tunnel contient deux couches magnétiques séparées par une couche isolante de seulement un nanomètre d'épaisseur. Selon la direction du spin - le long de l'aimantation des couches magnétiques, ou à l'opposé de celle-ci, les électrons peuvent traverser cette couche isolante plus ou moins facilement. Il en résulte une résistance électrique qui dépend de l'alignement de l'aimantation d'une couche par rapport à l'autre et représente donc zéro et un. À partir de la dépendance temporelle de cette résistance lors d'un événement d'inversion, les chercheurs ont pu reconstituer la dynamique exacte du processus. En particulier, ils ont constaté que l'inversion de l'aimantation se produit en deux étapes :une étape d'incubation, pendant laquelle l'aimantation reste constante, et l'étape d'inversion proprement dite, qui dure moins d'une nanoseconde.
Petites fluctuations
"Pour un périphérique mémoire rapide et fiable, il est essentiel que les fluctuations temporelles entre les événements d'inversion individuels soient minimisées, " explique Viola Krizakova, doctorante de Gambardella. Donc, sur la base de leurs données, les scientifiques ont développé une stratégie pour réduire autant que possible ces fluctuations. À cette fin, ils ont modifié les impulsions de courant utilisées pour contrôler l'inversion de l'aimantation de manière à introduire deux phénomènes physiques supplémentaires. Le couple dit de transfert de spin, ainsi qu'une courte impulsion de tension pendant la phase d'inversion, a entraîné une réduction de la durée totale de l'événement d'inversion à moins de 0,3 nanoseconde, avec des fluctuations temporelles inférieures à 0,2 nanosecondes.
Technologie prête pour l'application
"Mettre tout cela ensemble, nous avons trouvé une méthode par laquelle les données peuvent être stockées dans des jonctions tunnel magnétiques pratiquement sans aucune erreur et en moins d'une nanoseconde, " dit Gambardella. D'ailleurs, la collaboration avec le centre de recherche IMEC a permis de tester la nouvelle technologie directement sur une plaquette compatible avec l'industrie. Kévin Garello, un ancien post-doc du labo Gambardella, a produit les puces contenant les contacts tunnel pour les expériences à l'ETH et optimisé les matériaux pour celles-ci. En principe, la technologie serait, donc, être immédiatement prêt à être utilisé dans une nouvelle génération de MRAM.
Gambardella souligne que la mémoire MRAM est particulièrement intéressante car, contrairement aux SRAM ou DRAM classiques, il ne perd pas d'informations lorsque l'ordinateur est éteint; à la fois, il est tout aussi rapide que ces technologies. Cependant, il concède que le marché de la mémoire MRAM n'exige actuellement pas des vitesses d'écriture aussi élevées car d'autres goulots d'étranglement techniques tels que les pertes de puissance causées par des courants de commutation importants limitent les temps d'accès. En attendant, lui et ses collègues prévoient déjà d'autres améliorations ; ils veulent rétrécir les jonctions tunnel et utiliser différents matériaux qui utilisent le courant plus efficacement.
