En utilisant des rayons X focalisés, les chercheurs peuvent jeter un coup d'œil à l'intérieur d'un échantillon de jonctions tunnel magnétiques et résoudre l'arrangement des atomes dans les couches minces. Crédit :Weigang Wang, Université de l'Arizona
Imaginez-vous croquer dans un sandwich au beurre de cacahuète et découvrir une tranche de fromage nichée entre le pain et le beurre. Dans un sens, c'est ce qui est arrivé à une équipe de physiciens de l'université d'Arizona, sauf que le "fromage" était une couche d'oxyde de fer, moins d'une couche atomique d'épaisseur, et le « sandwich » était une jonction tunnel magnétique – un minuscule structure en couches de matériaux exotiques qui pourraient un jour remplacer les transistors informatiques actuels à base de silicium et révolutionner l'informatique. L'oxyde de fer, un matériau apparenté à ce que l'on appelle communément la rouille, présente des propriétés exotiques lorsque son épaisseur se rapproche de celle d'atomes isolés.
Une équipe dirigée par Weigang Wang, professeur au département de physique de l'Arizona, suggèrent dans une nouvelle étude que la couche auparavant inconnue est responsable de certains comportements des jonctions tunnel magnétiques qui ont laissé les physiciens perplexes pendant de nombreuses années. La découverte, publié dans la revue Lettres d'examen physique , ouvre des possibilités inattendues pour développer davantage la technologie.
Contrairement aux micro-transistors classiques, les jonctions tunnel magnétiques n'utilisent pas la charge électrique des électrons pour stocker des informations, mais profiter d'une propriété de mécanique quantique que possèdent les électrons, qui est appelé « tourner ». Connu sous le nom de spintronique, la technologie informatique basée sur les jonctions tunnel magnétiques est encore très en phase expérimentale, et les applications sont extrêmement limitées. Par exemple, la technologie est utilisée dans les avions et les machines à sous pour protéger les données stockées contre les coupures de courant soudaines.
Cela est possible car les jonctions tunnel magnétiques traitent et stockent les informations en changeant l'orientation des aimants à l'échelle nanométrique au lieu de déplacer les électrons comme le font les transistors ordinaires.
« Quand vous inversez la direction de la magnétisation, une jonction tunnel magnétique se comporte comme un transistor en ce sens qu'elle est soit 'on' soit 'off', " a déclaré Meng Xu, étudiant au doctorat dans le laboratoire de Wang et premier auteur de l'article. "L'un de ses avantages est que si vous le gardez dans cet état, il ne consomme pas d'énergie pour maintenir les informations stockées."
Bien que les jonctions tunnel magnétiques hautes performances existent depuis environ 20 ans, les scientifiques ont été perplexes par le fait que chaque fois qu'ils mesuraient la différence entre l'état « marche » et « arrêt », les valeurs étaient bien inférieures à ce que les propriétés physiques de ces commutateurs nanométriques prédisent, limiter le potentiel des jonctions tunnel magnétiques en tant que briques de base de l'informatique spintronique.
Ce mystère peut s'expliquer par la fine couche d'oxyde de fer que Wang et ses collègues ont découverte à l'interface entre les deux couches magnétiques dans leurs échantillons de jonction tunnel magnétique - la "tranche de fromage" dans l'analogie du sandwich.
"Nous pensons que cette couche agit comme un contaminant, empêcher notre échantillon d'atteindre les performances que nous voulons voir à partir d'une jonction tunnel magnétique, " a dit Wang.
Un échantillon de jonctions tunnel magnétiques denses. Crédit :Weigang Wang, Université de l'Arizona
Cependant, Wang dit que les résultats sont une médaille à deux faces, parce que tandis que la couche imprévue réduit les perspectives de jonctions tunnel magnétiques en abaissant le changement de résistance dans leur état "activé" et "désactivé", c'est une bonne nouvelle car elle ouvre des opportunités inattendues dans un autre domaine de la spintronique.
Le groupe de Wang a découvert que la couche se comportait comme un soi-disant antiferromagnétique lorsqu'ils ont testé les jonctions tunnel à des températures extrêmement froides inférieures à 400 degrés Fahrenheit négatifs, ou négatif 245 degrés Celsius.
Les antiferromagnétiques font l'objet de recherches intensives car ils peuvent être potentiellement manipulés à des fréquences térahertz, environ 1, 000 fois plus rapide que l'existant, technologie à base de silicium, qui opère généralement dans la région du Gigahertz. Jusqu'à maintenant, cependant, les chercheurs ont eu du mal à trouver des moyens de manipuler les dispositifs prometteurs, une première étape cruciale dans l'application de la technologie au stockage de données.
« Dans quelques cas, les chercheurs ont réussi à contrôler les matériaux antiferromagnétiques isolément, " Wang a dit, "mais dès que vous essayez d'incorporer une couche antiferromagnétique dans une jonction tunnel magnétique - et c'est ce que vous devez faire pour les utiliser pour la spintronique - cela tue le tout."
Cependant, la couche rapportée dans cette étude ne le fait pas, L'équipe de Wang a trouvé. Pour la première fois, cela peut permettre aux chercheurs de marier les avantages des antiferromagnétiques - une vitesse de lecture et d'écriture sans précédent - avec la contrôlabilité des jonctions tunnel magnétiques, a dit Wang.
"Avec cette étude, nous avons démontré pour la première fois que l'on peut modifier la propriété antiferromagnétique d'une jonction tunnel magnétique à l'aide d'un champ électrique, ce qui nous rapproche un peu plus de l'utilisation de la spintronique antiferromagnétique pour le stockage de la mémoire, " a dit Wang.
Voici pourquoi :tandis que l'utilisation des spins dans les antiferromagnétiques pour traiter l'information augmente considérablement la vitesse de calcul, finalement, cette information doit être reconvertie en une charge électrique, a dit Wang.
"Toute information que nous encodons en spin, peu importe si antiferromagnétique ou magnétique, nous voulons finalement lire comme un signal électrique parce que l'électron est vraiment la meilleure chose que nous ayons et le moyen le plus populaire à traiter, lire et écrire des informations, " at-il dit. " Cette conversion est normalement effectuée par des jonctions tunnel magnétiques. "
Un schéma simplifié d'une jonction tunnel magnétique où une barrière tunnel non magnétique est prise en sandwich entre deux couches magnétiques, dont les spins sont alignés dans une seule direction. Crédit :Weigang Wang, Université de l'Arizona
L'incorporation de couches antiferromagnétiques dans des jonctions tunnel magnétiques pourrait un jour permettre aux ingénieurs de concevoir des ordinateurs dans lesquels le traitement de l'information s'effectue au même endroit que le stockage de l'information, semblable au cerveau humain.
Les dispositifs spintroniques offrent un autre avantage par rapport aux transistors conventionnels, selon Wang :Ils n'ont pas besoin d'énergie uniquement pour conserver les informations stockées dans la mémoire.
"Avec la spintronique, vous n'avez besoin du champ électrique que pour écrire les informations, mais une fois que c'est fait, vous pouvez l'éteindre pour réduire la consommation d'énergie, " il a dit.
Les transistors à base de silicium d'autre part, souffrent d'un effet connu sous le nom de fuite d'électrons, a dit Wang. Alors que les fabricants entasse de plus en plus de transistors dans de plus petites zones de microprocesseurs, de plus en plus d'électrons sont perdus, obligeant l'appareil à effectuer un travail supplémentaire et à consommer de l'énergie supplémentaire juste pour contrecarrer ce processus.
Les fuites d'électrons sont l'une des raisons pour lesquelles la loi de Moore - qui stipule que le nombre de transistors sur une puce double tous les deux ans - devrait bientôt prendre fin, a dit Wang.
Avec les appareils spintroniques, les fuites ne sont pas un problème; they can store information virtually indefinitely without consuming power.
"It's the same reason your fridge magnets can stay in place for a really long time, " he said. "Once the quantum mechanical exchange interaction has been made, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."
