Les mémoires informatiques expérimentales et les processeurs construits à partir de matériaux magnétiques consomment beaucoup moins d’énergie que les dispositifs traditionnels à base de silicium. Les matériaux magnétiques bidimensionnels, composés de couches de seulement quelques atomes d'épaisseur, possèdent des propriétés incroyables qui pourraient permettre aux dispositifs magnétiques d'atteindre une vitesse, une efficacité et une évolutivité sans précédent.
Alors que de nombreux obstacles doivent être surmontés avant que ces matériaux magnétiques de van der Waals puissent être intégrés dans des ordinateurs fonctionnels, les chercheurs du MIT ont fait un pas important dans cette direction en démontrant le contrôle précis d'un aimant de van der Waals à température ambiante.
Ceci est essentiel, car les aimants composés de matériaux Van der Waals atomiquement minces ne peuvent généralement être contrôlés qu'à des températures extrêmement froides, ce qui les rend difficiles à déployer en dehors d'un laboratoire.
Les chercheurs ont utilisé des impulsions de courant électrique pour changer la direction de magnétisation de l'appareil à température ambiante. La commutation magnétique peut être utilisée dans le calcul, de la même manière qu'un transistor bascule entre ouvert et fermé pour représenter les 0 et les 1 en code binaire, ou dans la mémoire de l'ordinateur, où la commutation permet le stockage de données. La recherche est publiée dans Nature Communications .
L’équipe a tiré des rafales d’électrons sur un aimant fabriqué à partir d’un nouveau matériau capable de maintenir son magnétisme à des températures plus élevées. L’expérience a exploité une propriété fondamentale des électrons connue sous le nom de spin, qui fait que les électrons se comportent comme de minuscules aimants. En manipulant le spin des électrons qui frappent l'appareil, les chercheurs peuvent modifier sa magnétisation.
"Le dispositif à hétérostructure que nous avons développé nécessite un courant électrique d'un ordre de grandeur inférieur pour commuter l'aimant de van der Waals, par rapport à celui requis pour les dispositifs magnétiques en vrac", explique Deblina Sarkar, professeur adjoint de développement de carrière chez AT&T au MIT Media Lab and Center. pour le génie neurobiologique, chef du laboratoire Nano-Cybernetic Biotrek et auteur principal d'un article sur cette technique. "Notre appareil est également plus économe en énergie que les autres aimants de Van der Waals qui ne peuvent pas commuter à température ambiante."
À l’avenir, un tel aimant pourrait être utilisé pour construire des ordinateurs plus rapides et consommant moins d’électricité. Il pourrait également activer des mémoires informatiques magnétiques non volatiles, ce qui signifie qu'elles ne divulguent pas d'informations lorsqu'elles sont hors tension, ou des processeurs qui rendent les algorithmes d'IA complexes plus économes en énergie.
"Il y a beaucoup d'inertie lorsqu'on essaie d'améliorer les matériaux qui ont bien fonctionné dans le passé. Mais nous avons montré que si vous apportez des changements radicaux, en commençant par repenser les matériaux que vous utilisez, vous pouvez potentiellement obtenir de bien meilleures solutions", déclare Shivam. Kajale, étudiant diplômé du laboratoire de Sarkar et co-auteur principal de l'article.
Les méthodes permettant de fabriquer de minuscules puces informatiques dans une salle blanche à partir de matériaux en vrac comme le silicium peuvent gêner les appareils. Par exemple, les couches de matériau peuvent avoir à peine 1 nanomètre d'épaisseur, de sorte que de minuscules zones rugueuses sur la surface peuvent être suffisamment graves pour dégrader les performances.
En revanche, les matériaux magnétiques de Van der Waals sont intrinsèquement superposés et structurés de telle manière que la surface reste parfaitement lisse, même lorsque les chercheurs décollent les couches pour fabriquer des dispositifs plus fins. De plus, les atomes d'une couche ne fuiront pas dans les autres couches, ce qui permet aux matériaux de conserver leurs propriétés uniques lorsqu'ils sont empilés dans des appareils.
"En termes de mise à l'échelle et de rendre ces dispositifs magnétiques compétitifs pour les applications commerciales, les matériaux van der Waals sont la voie à suivre", déclare Kajale.
Mais il y a un piège. Cette nouvelle classe de matériaux magnétiques ne fonctionne généralement qu'à des températures inférieures à 60 Kelvin (-351 degrés Fahrenheit). Pour construire un processeur informatique ou une mémoire magnétique, les chercheurs doivent utiliser le courant électrique pour faire fonctionner l'aimant à température ambiante.
Pour y parvenir, l’équipe s’est concentrée sur un matériau émergent appelé tellurure de fer et de gallium. Ce matériau atomiquement mince possède toutes les propriétés nécessaires pour un magnétisme efficace à température ambiante et ne contient pas d'éléments de terres rares, qui sont indésirables car leur extraction est particulièrement destructrice pour l'environnement.
Nguyen a soigneusement développé des cristaux massifs de ce matériau 2D en utilisant une technique spéciale. Ensuite, Kajale a fabriqué un dispositif magnétique à deux couches en utilisant des flocons nanométriques de tellurure de fer et de gallium sous une couche de platine de six nanomètres.
Petit appareil en main, ils ont utilisé une propriété intrinsèque des électrons connue sous le nom de spin pour commuter sa magnétisation à température ambiante.
Bien que les électrons ne « tournent » techniquement pas comme une toupie, ils possèdent le même type de moment cinétique. Cette rotation a une direction, vers le haut ou vers le bas. Les chercheurs peuvent exploiter une propriété connue sous le nom de couplage spin-orbite pour contrôler les spins des électrons qu'ils tirent sur l'aimant.
De la même manière que l'impulsion est transférée lorsqu'une balle en heurte une autre, les électrons transfèrent leur « impulsion de rotation » au matériau magnétique 2D lorsqu'ils le frappent. En fonction de la direction de leurs spins, ce transfert d'impulsion peut inverser la magnétisation.
Dans un sens, ce transfert fait tourner la magnétisation de haut en bas (ou vice versa), c'est pourquoi on l'appelle un « couple », comme dans la commutation de couple spin-orbite. L'application d'une impulsion électrique négative fait descendre la magnétisation, tandis qu'une impulsion positive la fait monter.
Les chercheurs peuvent effectuer cette commutation à température ambiante pour deux raisons :les propriétés particulières du tellurure de fer et de gallium et le fait que leur technique utilise de petites quantités de courant électrique. Pomper trop de courant dans l'appareil entraînerait une surchauffe et une démagnétisation.
L'équipe a dû relever de nombreux défis au cours des deux années nécessaires pour atteindre cette étape importante, explique Kajale. Trouver le bon matériau magnétique ne représentait que la moitié de la bataille. Étant donné que le tellurure de fer et de gallium s'oxyde rapidement, la fabrication doit être effectuée dans une boîte à gants remplie d'azote.
"L'appareil n'est exposé à l'air que pendant 10 ou 15 secondes, mais même après cela, je dois procéder à une étape de polissage pour éliminer tout oxyde", dit-il.
Maintenant qu'ils ont démontré une commutation à température ambiante et une plus grande efficacité énergétique, les chercheurs prévoient de continuer à améliorer les performances des matériaux magnétiques de Van der Waals.
"Notre prochaine étape consiste à parvenir à une commutation sans avoir besoin de champs magnétiques externes. Notre objectif est d'améliorer notre technologie et de la développer pour apporter la polyvalence de l'aimant de van der Waals aux applications commerciales", déclare Sarkar.
Plus d'informations : Shivam N. Kajale et al, Commutation induite par le courant d'un ferromagnétique de van der Waals à température ambiante, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-45586-4
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
