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Bientôt dans nos PC, des MRam pilotées par des champs électriques ?

ActualitéClassé sous :physique , informatique , spintronique

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Les MRam (Magnetic Random Access Memory) devraient à terme remplacer les Ram dans nos ordinateurs portables. Il faudra pour cela réduire encore leur consommation en énergie en utilisant des champs électriques plutôt que magnétiques pour enregistrer des informations. C'est ce que vient de faire un groupe de chercheurs français et allemands.

La structure en couches du dispositif réalisé par les chercheurs pour étudier une MRam pilotée par un champ électrique. Crédit Science

Il y a des années, on prévoyait qu'à l'horizon 2010, les mémoires flash, en particulier celles des téléphones portables, seraient remplacées par des éléments non pas électroniques mais spintroniques. Basées sur le phénomène de magnétorésistance à effet tunnel ou TMR (de l'acronyme de son nom en anglais), les MRam (Magnetic Random Access Memory) sont en effet des mémoires où le spin et non la charge des électrons est exploité de façon centrale. C'est un exemple des applications d'une discipline qui ne cesse de se développer, la spintronique, et dont l'un des grands contributeur est le prix Nobel de physique français Albert Fert.

On sait que des séries de 0 et de 1 sont stockées dans les mémoires magnétiques sous la forme de l'orientation de l'aimantation de zones dans un matériau magnétique. Cette aimantation peut être reliée à l'état de spin d'un électron, selon qu'il est dirigé vers le haut ou vers le bas. Un champ magnétique permet de provoquer un basculement des spins dans une région magnétique et donc d'y enregistrer des 0 et des 1. Inversement, la mesure de la direction de l'orientation du champ magnétique dans cette région renseigne sur la valeur de l'information qui s'y trouve codée en binaire.

Dans le cas des MRam, les choses sont un peu plus complexes. Deux couches de matériaux ferromagnétiques sont séparées par un isolant. L'une est un aimant permanent et l'autre peut voir sa polarité changée par un champ magnétique externe. De telles cellules enregistrent donc des bits d'informations, un pour chaque cellule. Pour l'écriture, on fait appel à un champ magnétique. En revanche, la lecture s'effectue en mesurant des différences de résistance au passage d'un courant électrique.

Plus précisément, c'est le phénomène de magnétorésistance à effet tunnel qui est utilisé. Selon les principes de la physique classique, on s'attendrait à une certaine valeur de la résistance pour ce dispositif constitué d'un isolant pris en sandwich entre deux couches ferromagnétiques. Mais l'effet tunnel découlant des principes de la mécanique quantique change cette valeur en permettant à des courants d'électrons interdits par la physique classique de se produire quand même. Comme une aimantation d'orientation différente dans chaque cellule d'une MRam ne donne pas lieu à la même valeur de résistance pour l'élément on peut en déduire son état de magnétisation. Cela peut se comprendre intuitivement car si les deux couches ont des électrons avec des spins de sens opposés, il sera plus difficile à un transfert de charge par effet tunnel de se produire.

Les MRam sont intéressantes parce que si elles sont utilisables en écriture et lecture, tout comme des Ram, elles peuvent aussi stocker des données sans nécessiter un apport continuel d'énergie. Par contre, elles ont toujours le défaut d'en consommer de façon non négligeable pour l'écriture à cause du champ magnétique à générer. On aurait avantage à utiliser des champs électriques pour provoquer des basculements de spins, ce qui permettrait d'obtenir des dispositifs plus miniaturisés et plus économes.

Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de l'Université Paris-Sud-CNRS-Thales ont fait un pas important en considérant des MRam avec entre les couches ferromagnétiques un matériau ferroélectrique bien connu depuis la fin des années 1940, le titanate de baryum BaTiO3. L'équipe dirigée par Agnès Barthélemy, du CNRS, a montré que la couche d'un nanomètre d'épaisseur de titanate de baryum permettait bien d'orienter à volonté le sens des spins des électrons sous l'action d'un champ électrique produit par des impulsions avec des différences de potentiel de l'ordre de 1 volt. Un article sur le sujet a été publié dans Science et un autre, plus ancien, dans Nature.

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