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Les nouveaux défis de la spintronique

Les nouveaux défis de la spintronique

24.05.2016, par
Spintronique
Réseau de structures magnétiques en vortex.
Exploitant à la fois les propriétés électriques et magnétiques des électrons, la spintronique a permis dès les années 1990 une explosion de la capacité de stockage des disques durs. Elle offre aujourd’hui de nouvelles pistes pour le futur des technologies de l’information.

Moins de dix ans ont été nécessaires entre la démonstration en laboratoire par Albert Fert et Peter Grünberg, à la fin des années 1980, de l’effet emblématique de la spintronique, la magnéto-résistance géante, et la commercialisation des premiers disques durs utilisant cette propriété par IBM en 1997. Rarement un transfert de technologie entre la recherche fondamentale et la production de masse aura été aussi rapide. Voilà qui illustre l’évolution fulgurante de la spintronique depuis une vingtaine d’années.

Une électronique du spin

La spintronique est le mariage de l’électronique, qui utilise la charge électrique des électrons pour transmettre de l’information, et du spin, une autre propriété intrinsèque des électrons. Le spin est une caractéristique microscopique purement quantique, qui n’a pas d’équivalent à notre échelle. Mais on peut se représenter, de manière schématique, un électron comme un petit aimant pouvant prendre seulement deux orientations : un spin « vers le haut » ou un spin « vers le bas ». « Cette propriété était connue depuis les débuts de la physique quantique, mais il n’y avait pas eu d’idée pour l’utiliser en électronique », souligne Yannick Dappe, chercheur au Service de physique de l’état condensé (Spec)1 du CEA Saclay. Dans les années 1960-1970, des théories sont élaborées pour décrire comment les courants de spins se déplacent dans les matériaux magnétiques. Dans les années 1980, le développement des nanotechnologies, en particulier la maîtrise des dépôts métalliques, permet de créer des matériaux possédant les couches d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres qui sont nécessaires à l’exploitation du spin des électrons.

Spintronique
Représentation schématique du spin de l'électron. Dans une image classique, un spin +1/2 correspond à une rotation de l'électron sur son axe, donnant lieu à un moment magnétique, un spin -1/2 correspond à la même rotation en sens inverse, donnant lieu à un moment magnétique de signe opposé.
Spintronique
Représentation schématique du spin de l'électron. Dans une image classique, un spin +1/2 correspond à une rotation de l'électron sur son axe, donnant lieu à un moment magnétique, un spin -1/2 correspond à la même rotation en sens inverse, donnant lieu à un moment magnétique de signe opposé.

Multiplier par mille la densité de stockage

C’est dans de telles structures, composées d’une couche d’un métal normal, comme le chrome, en sandwich entre deux couches de métal ferromagnétique, comme le fer, que l’effet de magnéto-résistance géante est observé. Les matériaux ferromagnétiques soumis à un champ magnétique alignent leur aimantation dans la direction de ce champ. De plus, dans ces matériaux, les électrons ne rencontrent pas la même résistance en fonction de leur spin. Quand les aimantations des deux couches ferromagnétiques sont parallèles, les électrons qui se propagent bien dans l’une se propagent bien dans l’autre : la résistance globale est faible. Au contraire, si les aimantations des couches ferromagnétiques sont antiparallèles, les électrons qui se propagent bien dans l’une se propageront mal dans l’autre : la résistance globale sera forte. Cette différence de résistance induite par un champ magnétique peut être très forte, d’où le nom de magnéto-résistance géante. Sa découverte vaudra le prix Nobel de physique à Albert Fert et Peter Grünberg en 2007.

Cet effet est employé dans les têtes de lecture des disques durs, dont l’objectif est de lire l’orientation magnétique des domaines qui se présentent successivement à la surface du disque dur et qui constituent les bits d’information. La sensibilité des têtes de lecture à magnéto-résistance géante permet de lire une information codée sur des domaines plus petits, et donc d’augmenter la densité de stockage d’un facteur voisin de 1 000. « Les capteurs de champ magnétique à base de magnéto-résistance géante ont aussi trouvé d’autres applications : dans les voitures pour réaliser des capteurs de mouvements de rotation ou de translation ou en technologie médicale pour analyser des concentrations de molécules marquées par une nanoparticule magnétique », précise Albert Fert.

Spintronique
Dispositif permettant le dépôt sur un substrat de couches métalliques magnétiques ultraminces dont l'empilement aboutit à l'effet de magnéto-résistance géante (GMR).
Spintronique
Dispositif permettant le dépôt sur un substrat de couches métalliques magnétiques ultraminces dont l'empilement aboutit à l'effet de magnéto-résistance géante (GMR).

Des mémoires de plus en plus rapides

Si le disque dur reste la base de la mémoire de nos ordinateurs, il a l’inconvénient d’être lent d’accès. Une milliseconde est nécessaire pour lire une information. La mémoire vive de type RAM, très rapide, le supplée. Mais celle-ci est volatile : il faut lui fournir en permanence de l’énergie sous peine de perdre l’information. Il s’agit là d’une source de consommation très importante des ordinateurs. La spintronique permet de réaliser des « mémoires magnétiques » ou MRAM, non volatiles, rapides et économes en électricité. Les jonctions tunnels magnétiques qui les composent sont également constituées de deux couches ferromagnétiques, séparée cette fois par une barrière isolante. L’effet de magnéto-résistance s’en trouve fortement augmenté. On peut stocker de l’information dans la configuration d’aimantation d’une jonction tunnel et mettre des millions de ces jonctions en réseau pour réaliser une MRAM. La première génération de ces composants est arrivée sur le marché en 2006, mais la densité de stockage n’était pas encore suffisante pour s’imposer dans les ordinateurs. « En revanche, les MRAM ont trouvé leur application dans l’avionique et le spatial, poursuit Albert Fert. Car, contrairement aux mémoires classiques, elles sont peu perturbées par les rayonnements dans la haute atmosphère. »

Ces mémoires
bouleverseront le
paradigme actuel
qui sépare, dans
un ordinateur,
mémoire vive
et mémoire
de stockage.

Le grand espoir vient de la nouvelle génération de MRAM développée actuellement. Elle intègre un autre effet majeur de la spintronique, le transfert de moment de spin. Celui-ci permet de renverser l’aimantation d’une couche, et donc d’écrire une information dans la mémoire, grâce à un simple courant électrique plutôt qu’en appliquant un champ magnétique. « Ces mémoires s’implanteront vraisemblablement dans les ordinateurs d’ici quelques années et bouleverseront alors le paradigme actuel qui sépare, dans un ordinateur, mémoire vive et mémoire de stockage », annonce Martin Bowen, physicien à l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg2.

Spintronique
Les mémoires MRAM pourraient à terme remplacer les mémoires Flash actuellement utilisées dans les disques durs SSD.
Spintronique
Les mémoires MRAM pourraient à terme remplacer les mémoires Flash actuellement utilisées dans les disques durs SSD.

Du stockage à la transmission de l’information

Au-delà de ces applications, la spintronique fait toujours l’objet de recherches fondamentales dont le panorama s’est diversifié. D’une part, les chercheurs tentent d’aller toujours plus loin dans la spintronique « classique », celle employée dans les dispositifs à magnéto-résistance, qui consiste à placer différents matériaux sur le chemin des électrons pour influencer la circulation des spins. « Au lieu d’utiliser des couches de métal normal, comme dans les premiers dispositifs, ou des barrières isolantes, comme dans les jonctions tunnels magnétiques, on peut aussi tester d’autres matériaux, comme des assemblées de molécules, pour filtrer les électrons en fonction de leur spin », explique Yannick Dappe. C’est le principe de la spintronique moléculaire sur lequel le chercheur effectue des travaux théoriques avec son collègue du Spec Alexander Smogunov. Des matériaux comme le graphène sont aussi très étudiés. Plutôt que de simplement stocker l’information, la spintronique pourrait aussi aider à la transmettre. Pour cela, il faut développer des sources performantes de courants polarisés en spin. « Cela nécessite de bien comprendre comment des matériaux dissemblables tels qu’un métal ferromagnétique et des molécules partagent leur charge électronique lorsqu’ils forment une interface, détaille Martin Bowen. Un autre enjeu est de miniaturiser ces concepts à une nano-échelle, par exemple en utilisant les propriétés électroniques des défauts de structure, comme lorsque l’absence d’un atome créé une lacune. »

De nouvelles façons de manipuler les spins ont aussi émergé ces dernières années. L’une d’elle est la spin-orbitronique. L’idée est d’utiliser un effet relativiste, le couplage spin-orbite, très important dans les métaux lourds comme le bismuth ou le platine. Parmi les pistes ouvertes par ce domaine se trouve la possibilité de stocker et transporter de l’information grâce aux skyrmions. « Ce sont des petits nœuds de spins de quelques nanomètres avec lesquels on peut mémoriser une information, comme avec les boules d’un boulier. On peut ensuite déplacer ces skyrmions le long d’une piste jusqu’à un nanocapteur pour lire l’information codée dans un train de skyrmions », explique Albert Fert, dont l’équipe au sein de l’unité mixte de recherche CNRS/Thales se penche en particulier sur ce champ de recherche.

Alors que la fabrication des composants à base de semi-conducteurs commence à atteindre ses limites en termes de miniaturisation, la spintronique s’impose petit à petit comme une technologie complémentaire permettant de dépasser certaines de ces limites et de prendre probablement à moyen terme le relai de l’électronique classique. Outre les nouveaux composants qu’elle propose, comme les MRAM, la spintronique pourrait participer à la définition de nouvelles architectures informatiques, c’est-à-dire de nouvelles façons de faire les calculs. L’électronique neuromorphique propose par exemple de s’inspirer du fonctionnement du cerveau, en particulier des synapses, qui se transforment en fonction de l’information qu’elles reçoivent.

Notes
  • 1. Unité CNRS/CEA.
  • 2. Unité CNRS/Univ. de Strasbourg.
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Auteur

Sylvain Guilbaud

Sylvain Guilbaud, né en 1986, est journaliste scientifique. Ingénieur de formation, il est diplômé de l’École supérieure de journalisme de Lille et anime le blog http://madosedescience.wordpress.com.

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