L’étude de nouveaux matériaux pour la mémoire racetrack

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Des scientifiques de l’Université Dalhousie ont collaboré avec le CNBC pour identifier des matériaux présentant les propriétés magnétiques nécessaires à une avancée majeure dans le domaine de la mémoire informatique.

Histoires de recherche | Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) | Publié à l'origine le 10 octobre 2016

« La mémoire racetrack est une forme de spintronique, c’est-à-dire qu’elle exploite le spin d’un électron ainsi que sa charge. La puce MRAM (photo) est un type de puce de mémoire spintronique utilisé dans les circuits aérospatiaux en raison de sa fiabilité. »

Lorsqu’un ordinateur s’éteint, toutes les données contenues dans sa mémoire à court terme sont perdues. Lorsqu’un ordinateur est remis en marche, il prend le temps de recharger sa mémoire à court terme à l’aide des informations stockées dans sa mémoire à long terme, qui est plus lente.

L’élimination de ce temps d’attente n’est qu’un des avantages des futurs ordinateurs, qui utiliseront un concept que les scientifiques d’IBM ont baptisé la « mémoire racetrack ». La mémoire racetrack combinerait les avantages que présentent les deux types de mémoire, c’est-à-dire le volume et la stabilité de la mémoire à long terme (le disque dur) et la vitesse et la taille minuscule de la mémoire à court terme (la RAM). Elle permettrait aux appareils d’accéder à d’énormes quantités d’informations en un milliardième de seconde, ce qui modifierait radicalement le fonctionnement des ordinateurs.

En termes généraux, la mémoire de piste stocke l’information dans une série de fils incroyablement petits. Chaque nanofil contiendrait une centaine de minuscules régions magnétiques qui se déplaceraient à toute vitesse le long du fil, comme une série de voitures de course. Chaque « voiture » stockerait un bit d’information en fonction de la direction de son champ magnétique, et l’information serait lue ou écrite lorsque les voitures passeraient devant un dispositif situé à côté du fil.

Un circuit de nanofils stockerait des informations sous la forme d’une série d’états magnétiques mobiles, illustrés ici par des voitures rouges et bleues. Un dispositif lirait les informations au fur et à mesure que ces « voitures » avance sur le câble. (Illustration : CNBC, adapté d’IBM)

Des scientifiques, comme le professeur Ted Monchesky de l’Université Dalhousie, sont à la recherche de matériaux présentant les propriétés adéquates pour faire de la mémoire racetrack une réalité. Jusqu’à présent, la mise en œuvre de cette technologie s’est heurtée à la quantité d’énergie nécessaire pour « pousser les voitures sur la piste », ce qui génère encore trop de chaleur. Pour surmonter ce problème, Monchesky recherche des matériaux qui possèdent de minuscules régions magnétiques pouvant être déplacées rapidement et avec très peu d’énergie.

Pour l’aider dans cette recherche, l’équipe de recherche de Monchesky a collaboré avec le Centre canadien de faisceaux de neutrons dans une série d’expériences visant à caractériser de minces films de siliciure de manganèse (MnSi). Dans la mesure où l’un des principes de la nanotechnologie est que les propriétés des matériaux sont différentes dans des structures très petites, les chercheurs étaient particulièrement curieux de connaître les régions magnétiques nanoscopiques du MnSi.

En utilisant une combinaison de techniques expérimentales, dont une appelée la « réflectométrie à neutrons polarisés » disponible au CNBC, l’équipe de recherche de Monchesky a découvert des propriétés magnétiques intrigantes que présentent les films de MnSi de moins de 40 nanomètres d’épaisseur.

Ces résultats ont donné lieu à une série de découvertes passionnantes. Tout d’abord, dans une recherche publiée en 2011, l’équipe de Monchesky a montré que l’ordre magnétique de ces films de MnSi prend la forme d’une hélice. En utilisant des neutrons, ils ont pu mesurer le pas des hélices dans le film avec une précision de l’ordre du nanomètre.

Weaker magnetic field more twists = champ magnétique plus faible, plus de torsions; Stronger magnetic field = champ magnétique plus fort, moins de torsions. Illustration des hélices magnétiques entre les bords supérieur et inférieur d’un mince film de MnSi. Les petites flèches indiquent la direction des champs magnétiques locaux, tandis que les grandes flèches rouges indiquent la direction et l’intensité d’un champ magnétique externe appliqué au film. Monchesky a observé qu’au fur et à mesure que les hélices se déroulent sous l’effet d’un champ magnétique externe croissant, le nombre de spires prend des valeurs spécifiques, comme illustré. (Illustration : Monchesky).

Pour expliquer ses résultats, publiés en 2012, l’équipe a étayé cette observation par d’autres mesures et des calculs théoriques. Ils ont découvert que, dans des conditions spécifiques, ces hélices unidimensionnelles se combinaient pour former des structures magnétiques bidimensionnelles appelées skyrmions.

Les matériaux magnétiques contiennent souvent de nombreux domaines magnétiques, à l’intérieur desquels tous les moments magnétiques sont alignés. Chaque domaine est entouré d’un mur qui constitue l’interface entre un domaine et le suivant. « Si l’on prend un domaine magnétique et qu’on le rétrécit, on finit par arriver à un point où le domaine a disparu et où il ne reste plus que la paroi », explique M. Monchesky. « Ces murs restants sont les plus petites structures magnétiques possibles, et nous les appelons des skyrmions. »

Twisted fields at edges = champ magnétique externe; External Magnetic Field = champs torsadés sur les bords. Illustration de skyrmions dans une bande étroite de films minces. Les petites flèches indiquent la direction du champ magnétique. L’une des principales découvertes est la présence de champs magnétiques « tordus » sur les bords extérieurs, qui serviraient à protéger le type de skyrmions illustré ici et à les maintenir au centre de la bande.

La découverte de skyrmions dans de minces films de MnSi a des implications passionnantes pour l’évolution des ordinateurs, notamment parce que les skyrmions ont deux propriétés permettant de surmonter les problèmes de chaleur liés à la mémoire en piste : ils ont une mobilité élevée et sont extrêmement petits. En fait, le diamètre des skyrmions dans le MnSi s’est avéré être d’environ 20 nanomètres, ce qui correspond à peu près à la largeur d’un transistor d’ordinateur (bien que les skyrmions puissent être encore plus petits dans certains matériaux).

Une exploration plus poussée de films de MnSi à l’aide de la réflectométrie neutronique polarisée du CCFN a conduit à deux découvertes supplémentaires, publiées respectivement en 2013 et en 2014. Tout d’abord, le magnétisme de l’interface du film est effectivement bloqué dans une orientation tordue. Deuxièmement, le nombre de tours des hélices qui composent les skyrmions doit prendre des valeurs spécifiques. Ces contraintes relatives aux états magnétiques bloquent effectivement les skyrmions au milieu du film, les empêchant de se diffuser vers le bord, où ils pourraient disparaître. En d’autres termes, si les skyrmions étaient utilisés dans un dispositif de mémoire, ces états de bord empêcheraient la perte de mémoire, et ce, même lorsqu’ils sont éteints.

Direction of skymion motion = direction du mouvement du skyrmion. Illustration conceptuelle d’un type de dispositif de mémoire racetrack qui code les données selon la présence ou l’absence d’un skyrmion. Les flèches colorées représentent la direction des champs magnétiques locaux (rouge = haut, bleu = bas, jaune = horizontal). Le courant électrique (A) ou la tension (V) d’un dispositif de lecture de jonction de tunnel (les boîtes bleues et orange) change lorsque les skyrmions passent en dessous. (Illustration : Nature Nanotechnology)

Monchesky et son équipe ont pu expliquer leurs observations à l’aide de calculs théoriques fondés sur les principes de la physique fondamentale à laquelle appartient le MnSi, un groupe connu sous le nom de « matériaux magnétiques chiraux ». Cela signifie que les propriétés magnétiques découvertes par l’équipe de Monchesky devraient également s’appliquer à d’autres matériaux magnétiques chiraux, ce qui est important car les skyrmions dans le MnSi nécessitent des températures extrêmement froides, ce qui fait du MnSi un choix improbable pour une utilisation dans un dispositif.

« Bien que le MnSi ne soit pas une option valable, nous avons observé un nouveau comportement fondamental qui sera important pour la conception de futurs dispositifs basés sur des matériaux magnétiques chiraux », explique M. Monchesky. En effet, ce n’est peut-être qu’une question de temps avant que le bon matériau soit identifié, et que survienne une avancée majeure dans le domaine de la mémoire informatique. « Les skyrmions suscitent actuellement beaucoup d’intérêt au sein de la communauté scientifique », ajoute-t-il en citant l’exemple d’un matériau en vrac dans lequel des skyrmions ont été découverts à température ambiante.

DOI: 10.1103/PhysRevB.90.014406

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.