Les informations sont stockées dans les parois de domaine situées entre les domaines cylindriques et leur environnement en fonction de la direction de magnétisation en fonction de la profondeur. Cette magnétisation des parois de domaine peut être orientée dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans les blocs individuels, séparés verticalement par des couches de ruthénium. En faisant varier systématiquement ces directions, les chercheurs peuvent coder différentes séquences de bits dans un domaine cylindrique, comme le montre cette illustration avec une certaine interprétation artistique. Crédit : HZDR/Bernd Schröder
Les chercheurs ont stocké des séquences de bits dans des domaines magnétiques cylindriques, en utilisant la 3D métamatériauxCette innovation pourrait transformer le stockage des données et la magnétoélectronique.
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré que non seulement des bits individuels, mais des séquences de bits entières peuvent être stockées dans des domaines cylindriques : de minuscules zones cylindriques mesurant environ 100 nanomètres. Comme l'équipe le rapporte dans la revue Matériaux électroniques avancésces découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types de stockage de données et de capteurs, y compris des variantes magnétiques de réseaux neuronaux.
Stockage magnétique révolutionnaire
« Un domaine cylindrique, que nous, les physiciens, appelons également domaine à bulles, est une minuscule zone cylindrique dans une fine couche magnétique. Ses spins, le moment angulaire intrinsèque des électrons qui génère le moment magnétique dans le matériau, pointent dans une direction spécifique. Cela crée une aimantation différente du reste de l'environnement. Imaginez une petite bulle magnétique de forme cylindrique flottant dans une mer d'aimantation opposée », explique le professeur Olav Hellwig de Centre Helmholtz de Dresde-RossendorfInstitut de recherche sur la physique des faisceaux ioniques et les matériaux, décrivant le sujet de ses recherches. Lui et son équipe sont convaincus que de telles structures magnétiques possèdent un grand potentiel pour les applications spintroniques.
Parois de domaine et densité des données
Sur les bords de ce domaine cylindrique se forment des parois de domaine, des zones marginales dans lesquelles la direction de l'aimantation change. Dans la technologie de stockage magnétique que l'équipe de Hellwig tente de mettre au point, il sera crucial de contrôler avec précision la structure de spin dans la paroi de domaine, car son sens horaire ou antihoraire peut être utilisé directement pour coder des bits.
Les chercheurs se penchent également sur un autre aspect : « Nos disques durs actuels, avec leurs largeurs de piste de 30 à 40 nanomètres et leurs longueurs de bits de 15 à 20 nanomètres, peuvent contenir environ un téraoctet sur une surface de la taille d’un timbre-poste. Nous travaillons à surmonter cette limitation de la densité de données en étendant le stockage à la troisième dimension », explique Hellwig.
La solution : les métamatériaux en 3D
Les structures multicouches magnétiques constituent un moyen intéressant de contrôler la structure de spin interne des parois de domaine, car les énergies magnétiques impliquées peuvent être ajustées en combinant différents matériaux et épaisseurs de couche. L'équipe de Hellwig a utilisé des blocs de couches alternées de cobalt et de platine, séparées par des couches de ruthénium, et les a déposées sur des plaquettes de silicium.
Le métamatériau obtenu est un antiferromagnétique synthétique. Sa particularité est une structure de magnétisation verticale dans laquelle les blocs de couches adjacents ont des directions de magnétisation opposées, ce qui donne une magnétisation globale neutre.
Mémoire de piste de course et structures multicouches
« C’est là qu’intervient le concept de mémoire « circuit de course ». Le système ressemble à un circuit de course sur lequel les bits sont disposés comme un collier de perles. L’ingéniosité de notre système réside dans le fait que nous pouvons contrôler de manière ciblée l’épaisseur des couches et donc leurs propriétés magnétiques. Cela nous permet d’adapter le comportement magnétique de l’antiferromagnétique synthétique pour permettre le stockage non seulement de bits individuels, mais de séquences de bits entières, sous la forme d’une direction de magnétisation dépendant de la profondeur des parois de domaine », explique Hellwig.
Cela ouvre la perspective de transporter de tels domaines cylindriques multi-bits le long de ces autoroutes de données magnétiques de manière contrôlée, rapide et économe en énergie.
Applications futures en magnétoélectronique
D'autres applications de la magnétoélectronique sont également possibles. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans des capteurs magnétorésistifs ou dans des composants spintroniques. De plus, ces nano-objets magnétiques complexes présentent un grand potentiel pour des implémentations magnétiques dans des réseaux neuronaux qui pourraient traiter des données de la même manière que le cerveau humain.