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MRAM : nouveau record de vitesse pour les mémoires magnétiques

ActualitéClassé sous :technologie , physique , mémoire magnétique

Une équipe de chercheurs allemands vient d'établir un nouveau record pour la vitesse de fonctionnement des MRAM (Magnetic Random Access Memory). Ces dernières devraient à terme remplacer les RAM et permettre de commercialiser des ordinateurs portables moins gourmands en énergie. Il s'agit encore une fois d'une application de la spintronique.

A gauche, un courant avec des électrons polarisés (spin orienté vers le haut) et à droite le basculement de l'aimantation provoqué par l'injection de ce courant. Crédit : Tunamos

Les chercheurs du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) viennent de confirmer que la méthode qu'ils envisageaient pour obtenir des MRAM plus rapides était bien efficace. Rappelons qu'actuellement, les mémoires DRAM (Dynamic Random Acces Memory) et SRAM (Static Random Acces Memory) à base de semi-conducteurs des ordinateurs ont un caractère « volatile » : l'information stockée meurt dès que l'on éteint l'ordinateur. La mémoire des MRAM, qui utilisent non pas des charges pour stocker des informations binaires mais l'orientation de l'aimantation dans des domaines d'un solide, est, elle, permanente.

Grâce à cette permanence, il n'y a plus à stocker les programmes et les données sur le disque dur à l'arrêt de l'ordinateur et à les recharger à la remise en tension, ce qui élimine la lenteur au démarrage et aussi les pertes accidentelles de données. De plus, contrairement aux mémoires à semi-conducteur qui consomment de l'énergie même en période de veille de l'ordinateur ou du téléphone mobile, les MRAM n'ont besoin d'énergie que pendant un travail effectif. Cela conduit à un allongement significatif de la durée de vie de la batterie d'un ordinateur ou d'un téléphone portable.

Cependant, pour vraiment concurrencer les RAM, il faut que les MRAM fonctionnent avec des vitesses comparables. L'idée de base pour aboutir à ce résultat est de faire appelle à la technique de couple de transfert de spin.

Comprendre en quoi elle consiste n'est pas difficile.

La technique de couple de transfert de spin

On sait que les électrons, dotés d'un spin, se comportent un peu comme une toupie chargée en rotation, et donc, sont comparable à un aimant. Si l'on fait passer un courant dans un milieu magnétisé alors l'aimantation de ce dernier va provoquer un alignement des électrons de sorte que l'orientation de leurs spins soit parallèle au champ magnétique.

Inversement, si l'on injecte un tel courant dans un milieu possédant une aimantation quelconque, ce dernier va avoir tendance à magnétiser le milieu dans le sens des spins du courants, en exerçant un couple sur les autres spins des charges du milieu, d'où le nom de technique de couple de transfert de spin (voir le schéma ci-dessous).

Or, si l'on considère des mémoires magnétiques, les données sous forme de 0 et de 1 correspondent à l'orientation de l'aimantation, disons vers le haut et vers le bas, dans de petits domaines du solide magnétisable constituant ces mémoires. On devine donc facilement que la technique précédente permet de changer les orientations des domaines aimantés, non pas grâce à des champs magnétiques, mais avec les courants polarisés transférant des électrons dont les spins ont été initialement orientés dans une direction donnée.

H. W. Schumacher et ses collègues exposent donc dans Physical Review Letters 33 (2008) l'application d'une variante de la technique de couple de transfert de spin dans laquelle le transport d'électrons est quasi balistique, c'est-à-dire que ce dernier est dominé par des effets de mécanique ondulatoire quantique. Tout se passe comme si les électrons se déplaçaient sans collisions ou presque, telle une onde se propageant.

Couplées à un faible champ magnétique, des impulsions de courants polarisés aussi courtes qu'une nanoseconde ont ainsi été capables de changer l'orientation de l'aimantation. C'est un record puisque auparavant, des durées de l'ordre de 10 nanosecondes étaient obtenues pour des MRAM.

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