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Bientôt des mémoires magnétiques à semi-conducteurs ?

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Des mémoires associées à des semi-conducteurs, capables à la fois d'enregistrer et de traiter des informations : cette possibilité offerte par la spintronique, et prédite par certains théoriciens, vient d'être vérifiée par un groupe international de chercheurs, dont des membres du National Institute of Standards and Technology (NIST).

Le composé multicouches en GaMnAs s'aimante spontanément en dessous de 30 K avec deux sens d'aimantation opposés (flèches jaunes pour les atomes de Mn). Les grandes flèches indiquent les réflexions des faisceaux de neutrons polarisés sur les couches du matériau. Crédit : Brian Kirby, NIST

Les recherches dans le domaine de la spintronique ont déjà donné les mémoires magnétiques équipant nos ordinateurs et nos lecteurs MP3. Mais la révolution de la spintronique n'en est probablement encore qu'à ses débuts comme le démontrent les propos du prix Nobel de physique 2007, Albert Fert.

Si la découverte de la magnétorésistance géante a permis de miniaturiser les mémoires magnétiques il faut cependant toujours des circuits électroniques pour lire et traiter l'information qui y est enregistrée. Or, depuis un certain nombre d'années, les théoriciens étudient ce dont seraient capables des composants électroniques multicouches utilisant des effets supraconducteurs, ferroélectriques et même ferromagnétiques. Les expérimentateurs leur emboîtent bien sûr le pas et on a récemment vu une percée importante en direction de futurs transistors supraconducteurs.

Une des prédictions de ces théoriciens était qu'il devait être possible de réaliser à l'aide de couches de semi-conducteurs magnétiques, comme l'arséniure de gallium (GaAs) dopé avec du manganèse (Mn), ce qu'on appelle un couplage antiferromagnétique (AF). Plus précisément, si l'on réalisait un sandwich de deux couches de ce matériau séparées par une couche mince constituée d'un autre matériau non magnétique alors, à basse température, l'une de ces couches se magnétiserait spontanément en adoptant une aimantation dans une certaine direction alors que l'autre couche ferait de même, mais en s'aimantant dans une direction opposée.

Des chercheurs du NIST, de l'université Notre Dame aux Etats-Unis ainsi que de l'université de Corée ont d'abord réalisé un tel matériau multicouches puis l'ont refroidi à 30 K.

Mémoire et circuit logique

Pour vérifier qu'un couplage AF se produisait bien ils ont utilisés des faisceaux de neutrons polarisés produits au NIST Center for Neutron Research. Les neutrons possèdent un spin comme les électrons mais contrairement à eux, ils ne sont pas chargés électriquement. En revanche, ils possèdent comme les particules chargées un moment magnétique relié à leur spin et à son orientation. Ce sont donc des sondes idéales pour scruter l'intérieur de la matière condensée sous forme d'alliages ou de molécules organiques complexes.

Un faisceau de neutrons polarisés, c'est-à-dire avec des spins/moments magnétiques majoritairement alignés suivant une même direction, est envoyé sur un matériau aimanté. En étudiant le faisceau réfléchi, il est alors possible d'en déduire des informations sur l’état de magnétisation interne de ce matériau. Les expériences ont effectivement démontré que le couplage AF apparaît dans le composé multicouche en GaMnAs.

Sous l'action d'un champ magnétique externe on peut modifier l'état d'aimantation. On peut donc réaliser ainsi une mémoire magnétique. L'action d'un champ électrique permet aussi d'envisager un véritable circuit logique spintronique. On a donc dans le même circuit l'équivalent d'une mémoire et d'un transistor.

On conçoit aisément que l'on aurait alors un gain tout à la fois en temps et en miniaturisation mais reste encore à trouver le moyen d'obtenir le même phénomène à température ambiante avant d'assister à une nouvelle révolution technologique...