Il est prévu qu'en quelques décennies seulement, le volume croissant des données numériques constituera l'un des plus grands consommateurs d'énergie au monde. Maintenant, les chercheurs de l'Université de technologie de Chalmers de Suède ont fait une percée qui pourrait changer le paradigme: un matériau atomiquement mince qui permet à deux forces magnétiques opposées de coexister – réduisant dramatiquement la consommation d'énergie dans les dispositifs de mémoire par un facteur 10.
Cette découverte pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de solutions de mémoire ultra-efficaces et fiables pour l'IA, la technologie mobile et le traitement avancé des données.
L'article, « Les ordres magnétiques coexistants non triviaux van der Waals permettent la dynamique de magnétisation du couple de spin-orbite sans champ » a été publié dans Matériaux avancés.
Les unités de mémoire sont des composants essentiels dans pratiquement toutes les technologies modernes qui traitent et stockent les informations: les systèmes AI, les smartphones, les ordinateurs, les véhicules autonomes, les appareils électroménagers et les dispositifs médicaux. Le magnétisme est devenu un acteur clé dans l'évolution de la mémoire numérique.
En exploitant le comportement des électrons dans les matériaux magnétiques sous des champs externes et des courants électriques, les chercheurs peuvent concevoir des puces de mémoire qui sont plus rapides, plus petites et plus économes en énergie.
Cependant, le volume de données stocké, traité et transmis se développe de façon exponentielle. En quelques décennies, il devrait représenter près de 30% de la consommation mondiale d'énergie. Cela a incité une recherche urgente de nouvelles approches pour construire des unités de mémoire beaucoup plus économes en énergie, tout en déverrouillant des opportunités technologiques entièrement nouvelles.
Maintenant, l'équipe Chalmers est la première au monde à dévoiler comment un nouveau matériau en couches combine deux forces magnétiques distinctes, ce qui permet une réduction de 10 fois de la consommation d'énergie dans les dispositifs de mémoire.
« Trouver cette coexistence des ordres magnétiques dans un seul matériau mince est une percée. Ses propriétés le rendent exceptionnellement bien adapté pour développer des puces mémoire ultra-efficaces pour l'IA, les appareils mobiles, les ordinateurs et les technologies de données futures », explique le Dr Bing Zhao, chercheur en physique des appareils quantiques chez Chalmers et auteur de l'étude.
Attraction magnétique
En physique et en ingénierie, deux états magnétiques fondamentaux sont généralement pris en compte: le ferromagnétisme et l'antiferromagnétisme. Le ferromagnétisme est le phénomène familier (vu dans les aimants quotidiens) qui attire des matériaux comme le fer, le nickel ou le cobalt. Dans cet état, les électrons s'alignent uniformément – comme des soldats en formation – créant un champ magnétique unifié qui est visible à l'extérieur.
En revanche, l'antitiferromagnétisme implique des électrons avec des spins opposés, ce qui fait que leurs états magnétiques s'annulent mutuellement. La combinaison de ces deux forces opposées offre des avantages scientifiques et techniques importants, ce qui les rend parfaits pour la mémoire et les capteurs de l'ordinateur. Mais jusqu'à présent, cela n'a été possible qu'en empilant différents matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans les structures multicouches.
« Contrairement à ces systèmes complexes multicouches, nous avons réussi à intégrer les deux forces magnétiques dans une seule structure cristalline bidimensionnelle. C'est comme un système magnétique parfaitement pré-assemblé – quelque chose qui ne pouvait pas être reproduit en utilisant des matériaux conventionnels. Les chercheurs ont poursuivi ce concept depuis que le magnétisme a été appliqué pour la technologie de la mémoire », explique Saroj P. Dash, professeur de quantum Physics at Chalmers et le leader du projet de la recherche.
Le magnétisme incliné coupe la consommation d'énergie 10 fois
Pour stocker des informations, les appareils de mémoire doivent changer la direction des électrons dans un matériau. Avec les matériaux conventionnels, cela nécessite généralement un champ magnétique externe pour alterner l'orientation électronique. Le nouveau matériau de Chalmers, cependant, présente une combinaison intégrée de forces magnétiques opposées qui créent une force interne et un alignement magnétique global incliné.
« Cette inclinaison permet aux électrons de changer la direction rapidement et facilement sans avoir besoin de champs magnétiques externes.
Fabrication plus simple, plus grande fiabilité
Le matériau dispose d'un alliage magnétique fabriqué à la fois à des éléments magnétiques et non magnétiques (cobalt, fer, germanium et tellurium), permettant au ferromagnétisme et à l'antiferromagnétisme de coexister dans une seule structure. Dans ces dispositifs de mémoire très efficaces, les films des cristaux bidimensionnels sont empilés en couches. Contrairement aux matériaux conventionnels réunis par des liaisons chimiques, ces couches sont liées par les forces de van der Waals.
« Un matériau avec plusieurs comportements magnétiques élimine les problèmes d'interface dans les piles multicouches et est beaucoup plus facile à fabriquer. Auparavant, l'empilement de plusieurs films magnétiques a introduit des coutures problématiques aux interfaces, ce qui a compromis la fiabilité et la production de dispositifs compliqués », explique le professeur Dash.
