L'augmentation rapide de la consommation d'énergie liée aux technologies numériques est un enjeu mondial majeur. Un problème clé est la réduction de la consommation d'énergie des dispositifs de stockage de données magnétiques, qui sont utilisés, par exemple, dans les grands centres de données.

Une équipe de recherche internationale dirigée par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et avec la participation du professeur Karin Leistner et du Dr Jonas Zehner de la chaire de capteurs électrochimiques et de stockage d'énergie à l'Institut de chimie de l'Université de technologie de Chemnitz (auparavant directeur de la groupe de recherche Magnéto-ionique et nanoélectrodéposition de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux (IFW) de Dresde) démontrent maintenant une inversion de l'aimantation à 180 ° par le chargement d'hydrogène induit par la tension dans les ferriaimants.

Ce résultat est d'une pertinence exceptionnelle, comme l'inversion de l'aimantation à 180° par des champs purement électriques est intrinsèquement difficile à partir des principes fondamentaux, mais il promet une réduction drastique de la consommation d'énergie pour la commutation de magnétisation. Pour une application dans le stockage et la manipulation de données, La commutation de magnétisation à 180° est cruciale, car la magnétisation dans les bits individuels est généralement opposée de 180°. Ainsi, le résultat de l'étude a le potentiel d'ouvrir une voie pour réduire considérablement la consommation d'énergie mondiale du stockage de données.

Outre les participants du MIT et de l'Université de technologie de Chemnitz, l'équipe de recherche comprenait des scientifiques de l'Université du Minnesota, Korea Institute of Science and Technology et ALBA Synchrotron à Barcelone. La direction a été prise par les scientifiques des matériaux, le Dr Mantao Huang et le professeur Geoffrey Beach du MIT, experts en dispositifs magnéto-ioniques à base d'hydrogène et en spintronique.

Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue Nature Nanotechnologie .

Nouvelle approche

Dans les supports de stockage de données magnétiques, tels que les disques durs ou les MRAM (mémoires magnétiques à accès aléatoire), l'information est stockée grâce à un alignement spécifique de magnétisation dans des zones microscopiques. La direction de magnétisation est généralement ajustée par des courants électriques ou des champs magnétiques locaux – ces champs magnétiques sont également générés par des courants électriques dans des microbobines. Dans les deux cas, le courant électrique entraîne une perte d'énergie par chauffage Joule. Par conséquent, le contrôle de l'aimantation par des champs électriques est une approche prometteuse pour réduire la consommation énergétique des technologies de données magnétiques. Jusque là, cependant, le contrôle du champ électrique de la magnétisation nécessite des tensions élevées ou est limité aux basses températures.

En tant que nouvelle approche de la commutation de magnétisation induite par la tension, l'équipe de recherche a tiré parti des propriétés spécifiques des ferri-aimants. Les ferrimagnétiques offrent une configuration multi-sous-réseau avec des aimantations de sous-réseau de différentes magnitudes s'opposant les unes aux autres. L'aimantation nette résulte de l'addition des contributions du sous-réseau. Les ferroaimants présentent également des avantages technologiques par rapport aux ferroaimants classiquement utilisés, comme ils le permettent, par exemple, dynamique de rotation rapide.

Pour le gadolinium-cobalt ferrimagnétique (GdCo), les chercheurs ont pu démontrer que les magnétisations relatives du sous-réseau peuvent être inversées de manière réversible par le chargement/déchargement d'hydrogène induit par la tension. Pour ça, le GdCo a été combiné avec une couche d'oxyde de gadolinium (GdOx) comme électrolyte à l'état solide et une couche intermédiaire de palladium (Pd). En appliquant une tension de grille aux bornes de la structure, les protons sont dirigés vers l'électrode inférieure et conduisent à l'hydrogénation de la couche de Pd/GdCo. L'introduction d'hydrogène dans le réseau GdCo conduit à une réduction plus forte de l'aimantation sous-réseau du Gd que celle du Co. Cet effet dit magnéto-ionique est stable sur plus de 10 000 cycles. Cela pourrait être mis en évidence par la spectroscopie de dichroïsme circulaire magnétique à rayons X (XMCD) spécifique à un élément et constitue le fondement de la commutation de magnétisation démontrée.

Pour obtenir une inversion de l'aimantation à 180° sans champs magnétiques externes, les chercheurs ont fonctionnalisé la structure de la couche GdCo/Pd/GdOx avec une couche supplémentaire d'oxyde de nickel antiferromagnétique (NiO). Ici, ils bénéficient de l'effet dit "Exchange Bias". Cet effet se produit lorsque des couches ferri- ou ferromagnétiques sont mises en contact avec une couche antiferromagnétique. Elle est basée sur le couplage des spins magnétiques interfaciaux et conduit au blocage de la direction d'aimantation du ferro/ferrimagnétique. L'effet de biais de change est utilisé, par exemple., dans des capteurs magnétiques dans des têtes de lecture de disques durs pour épingler la direction de magnétisation d'une couche de référence. Pour le GdCo ferromagnétique, le contact avec le NiO antiferromagnétique conduit à un coincement de la direction des aimantations du sous-réseau. Dans ce cas, pendant la commutation magnéto-ionique, la magnétisation nette change de 180°. Cela signifie, pour la première fois, une inversion de magnétisation commandée par champ purement électrique sans l'aide d'un champ magnétique.

Le professeur Karin Leistner et le Dr Jonas Zehner ont apporté leur expertise sur le transfert du contrôle magnéto-ionique aux systèmes de polarisation d'échange. "Mon groupe étudie intensivement la combinaison de systèmes magnéto-ioniques avec des couches aniferromagnétiques et nous sommes désormais experts dans le contrôle magnéto-ionique du biais d'échange, " explique le professeur Karin Leistner. Au cours de son doctorat dans le groupe de recherche de Karin Leistner à l'IFW Dresden, Jonas Zehner a profité d'un séjour de recherche de six mois dans le groupe du professeur Beach au MIT. Au cours de ce séjour de recherche, avec le professeur Karin Leistner et le professeur Geoffrey Beach, Jonas Zehner a initié et optimisé la structure de couche de polarisation d'échange requise pour l'inversion de l'aimantation à 180°. Pour ça, il a d'abord combiné le système modèle magnéto-ionique Co/GdOx avec un antiferromagnétique NiO. Il a préparé des systèmes de couches minces par pulvérisation magnétron et a analysé l'influence de l'épaisseur, composition et séquence de couches sur le biais d'échange résultant et le contrôle magnéto-ionique. Les propriétés magnétiques pendant le chargement d'hydrogène ont été mesurées avec une configuration d'effet Kerr magnéto-optique maison. Avec ces expériences, il a découvert qu'une couche de Pd ultrafine entre le GdCo et le NiO est cruciale pour stabiliser l'effet de polarisation d'échange.