Un grenat d'yttrium-fer. Ce matériau deviendra-t-il la vedette des centres de données ? © Krizu, licence CC BY SA 3.0

Sciences

Les mémoires magnétiques du futur seront-elles en grenat ?

ActualitéClassé sous :physique , mémoire magnétique , grenat

Des mémoires magnétiques toujours plus rapides et toujours moins gourmandes en énergie : c'est la quête permanente de l'industrie de l'électronique. La dernière trouvaille en date repose sur des grenats de synthèse particuliers, les YIG, où des bits d'informations peuvent être écrits et lus avec des impulsions laser.

La quantité d'informations générées et enregistrées par les réseaux sociaux ne cesse de grandir et ce n'est là qu'une petite partie de l'infosphère. Comme toute information a une base physique, ainsi que l'ont montré notamment Léon Brillouin et Rolf Landauer, cela a un coût en énergie et en particulier en dissipation de chaleur. Il n'est donc pas étonnant que Google, Facebook et Microsoft se soient préoccupés depuis des années du refroidissement des datacenters, jusqu'à en localiser dans des pays froids, comme la Suède et la Finlande, et même à envisager de les construire au fond des mers.

Parmi les pistes explorées pour créer des mémoires magnétiques à la fois plus véloces pour la lecture ou l'écriture et moins gourmandes en énergie, on trouve celle des grenats ou pour être plus précis, des grenats d'yttrium et de fer. Il s'agit de matériau ferrimagnetique de synthèse et de formule brute Y3Fe5O12, souvent désignés par l'acronyme YIG, pour, en anglais, Yttrium Iron Garnet. Or, justement, une équipe de physiciens du solide polonais et néerlandais vient de publier dans Nature un article faisant état d'une percée dans ce domaine et que l'on peut lire en accès libre sur arXiv.

Le principe de l'inscription par impulsion laser de bits d'informations dans une mémoire magnétique en grenat. Les impulsions sont polarisées, c'est-à-dire que le champ électrique oscille dans une direction indiquée par les flèches. © Radboud University

Les chercheurs sont en effet parvenus à battre toutes les méthodes pour écrire et lire rapidement des bits d'information sur un support magnétique à l'aide d'un laser femtoseconde polarisé linéairement. Il leur faut pour cela moins de 20 picosecondes, et ce avec un taux de dissipation de chaleur plus bas qu'avec toutes les techniques précédentes. À priori, on peut donc penser que ce type de mémoire va prendre l'ascendant sur les mémoires magnétiques à écriture assistée thermiquement. Dernière innovation en la matière, celles-ci sont en effet plus rapides que leurs prédécesseurs et nécessitent également des impulsions laser mais au prix d'un échauffement supplémentaire du matériau magnétique.

Des mémoires réservées aux datacenters et aux ordinateurs quantiques ?

Le grenat utilisé par les physiciens est un YIG particulier dans lequel certains atomes de fer (Fe) ont été remplacés par des atomes de cobalt (Co). La physique du solide nous enseigne en effet que pour réduire la chaleur dissipée dans un matériau après une absorption de lumière, il faut diminuer sa densité d'électrons libres. Il faut donc que ce soit un diélectrique, ce qui est précisément le cas des YIG. Mais sans dopage au cobalt, un tel grenat ne permet pas de stocker une information sous forme d'aimantation en réponse à une impulsion lumineuse. L'ajout de ces atomes permet d'utiliser une de leurs particularités, en l'occurrence un fort couplage spin-orbite. En d'autres termes, le moment cinétique d'un électron en orbite autour d'un noyau est fortement couplé à son moment cinétique propre, son spin, qui fait que l'électron peut être considérée comme une toupie aimantée. En modifiant le moment cinétique orbital sous l'effet d'une onde lumineuse polarisée linéairement, donc avec un moment cinétique, on fait basculer indirectement vers le haut ou vers le bas le spin de l'électron et donc on enregistre à volonté un « 0 » ou un « 1 ». La dissipation de chaleur y est de plus minimisée.

En bonus, cette découverte permet d'imaginer des mémoires magnétiques très rapides qui fonctionneraient à très basses températures, précisément ce qu'il faudrait pour des ordinateurs quantiques ou des superordinateurs supraconducteurs qui butent jusqu'à présent sur cet obstacle. Dans tous les cas de figure, d'après les chercheurs, ces mémoires à grenat ne semblent toutefois pas pouvoir être exploitées pour des ordinateurs personnels à cause des contraintes technologiques. Si elles tiennent leurs promesses, elles pourront en revanche envahir les datacenters.

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