À l’échelle mondiale, le calcul connaît un essor sans précédent, alimenté par les bienfaits de l’intelligence artificielle. Dans ce contexte, la demande énergétique stupéfiante de l’infrastructure informatique mondiale est devenue une préoccupation majeure, et le développement de dispositifs informatiques beaucoup plus économes en énergie constitue un défi majeur pour la communauté scientifique.
L’utilisation de matériaux magnétiques pour construire des dispositifs informatiques tels que des mémoires et des processeurs est apparue comme une voie prometteuse pour créer des ordinateurs « au-delà du CMOS », qui consommeraient beaucoup moins d’énergie que les ordinateurs traditionnels. La commutation de magnétisation dans les aimants peut être utilisée dans le calcul de la même manière qu’un transistor passe de l’ouverture à la fermeture pour représenter les 0 et les 1 d’un code binaire.
Alors qu’une grande partie de la recherche dans ce sens s’est concentrée sur l’utilisation de matériaux magnétiques massifs, une nouvelle classe de matériaux magnétiques, appelés aimants de Van der Waals bidimensionnels, offre des propriétés supérieures qui peuvent améliorer l’évolutivité et l’efficacité énergétique des dispositifs magnétiques pour les rendre commercialement viables. viable.
Bien que les avantages du passage aux matériaux magnétiques 2D soient évidents, leur introduction pratique dans les ordinateurs a été entravée par certains défis fondamentaux. Jusqu’à récemment, les matériaux magnétiques 2D ne pouvaient fonctionner qu’à de très basses températures, tout comme les supraconducteurs. Amener leurs températures de fonctionnement au-dessus de la température ambiante reste donc un objectif primordial. De plus, pour une utilisation dans des ordinateurs, il est important qu’ils puissent être contrôlés électriquement, sans avoir recours à des champs magnétiques.
Combler ce fossé fondamental, où les matériaux magnétiques 2D peuvent être commutés électriquement au-dessus de la température ambiante sans aucun champ magnétique, pourrait potentiellement catapulter la traduction des aimants 2D dans la prochaine génération d’ordinateurs « verts ».
Une équipe de chercheurs du MIT a maintenant franchi cette étape critique en concevant un dispositif « hétérostructure à couches atomiques de van der Waals » dans lequel un aimant de van der Waals 2D, le tellurure de fer et de gallium, est interfacé avec un autre matériau 2D, le ditellurure de tungstène. Dans un article en libre accès publié dans Avancées scientifiquesl’équipe montre que l’aimant peut être basculé entre les états 0 et 1 simplement en appliquant des impulsions de courant électrique à travers leur dispositif à deux couches.
« Notre dispositif permet une commutation de magnétisation robuste sans avoir besoin d’un champ magnétique externe, ouvrant ainsi des opportunités sans précédent en matière de technologie informatique à très faible consommation et respectueuse de l’environnement pour le Big Data et l’IA », déclare l’auteur principal Deblina Sarkar, professeur adjoint de développement de carrière chez AT&T. du MIT Media Lab et du Center for Neurobiological Engineering, et chef du groupe de recherche Nano-Cybernetic Biotrek. « De plus, la structure en couches atomiques de notre dispositif offre des capacités uniques, notamment une interface améliorée et des possibilités d’accordabilité de la tension de grille, ainsi que des technologies spintroniques flexibles et transparentes. »
Sarkar est rejoint sur l’article par le premier auteur Shivam Kajale, étudiant diplômé du groupe de recherche de Sarkar au Media Lab ; Thanh Nguyen, étudiant diplômé au Département de science et d’ingénierie nucléaires (NSE) ; Nguyen Tuan Hung, chercheur invité au MIT en SNG et professeur adjoint à l’Université de Tohoku au Japon ; et Mingda Li, professeur agrégé de NSE.
L’avenir de la spintronique : manipulation des spins dans les couches atomiques sans champs magnétiques externes Crédit : Deblina Sarkar
Briser les symétries des miroirs
Lorsque le courant électrique traverse des métaux lourds comme le platine ou le tantale, les électrons sont ségrégués dans les matériaux en fonction de leur composante de spin, un phénomène appelé effet Hall de spin, explique Kajale. La manière dont se produit cette ségrégation dépend du matériau, et notamment de ses symétries.
« La conversion du courant électrique en courants de spin dans les métaux lourds est au cœur du contrôle électrique des aimants », note Kajale. « La structure microscopique des matériaux conventionnellement utilisés, comme le platine, présente une sorte de symétrie miroir, qui limite les courants de spin uniquement à la polarisation de spin dans le plan. »
Kajale explique que deux symétries de miroir doivent être brisées pour produire une composante de spin « hors plan » qui peut être transférée à une couche magnétique pour induire une commutation sans champ. « Le courant électrique peut « briser » la symétrie du miroir le long d’un plan du platine, mais sa structure cristalline empêche la symétrie du miroir d’être brisée dans un deuxième plan. »
Dans leurs expériences précédentes, les chercheurs ont utilisé un petit champ magnétique pour briser le deuxième plan du miroir. Pour se débarrasser du besoin d’un coup de pouce magnétique, Kajale, Sarkar et leurs collègues ont plutôt recherché un matériau doté d’une structure capable de briser le deuxième plan du miroir sans aide extérieure. Cela les a conduits à un autre matériau 2D, le ditellurure de tungstène.
Le ditellurure de tungstène utilisé par les chercheurs possède une structure cristalline orthorhombique. Le matériau lui-même présente un plan miroir brisé. Ainsi, en appliquant un courant le long de son axe de faible symétrie (parallèle au plan du miroir brisé), le courant de spin résultant possède une composante de spin hors du plan qui peut directement induire une commutation dans l’aimant ultra-mince interfacé avec le ditellurure de tungstène.
« Comme il s’agit également d’un matériau de van der Waals 2D, il peut également garantir que lorsque nous empilons les deux matériaux, nous obtenons des interfaces impeccables et un bon flux de spins électroniques entre les matériaux », explique Kajale.
Devenir plus économe en énergie
La mémoire informatique et les processeurs fabriqués à partir de matériaux magnétiques consomment moins d’énergie que les appareils traditionnels à base de silicium. Et les aimants de van der Waals peuvent offrir une efficacité énergétique plus élevée et une meilleure évolutivité par rapport aux matériaux magnétiques en vrac, notent les chercheurs.
La densité de courant électrique utilisée pour commuter l’aimant se traduit par la quantité d’énergie dissipée lors de la commutation. Une densité plus faible signifie un matériau beaucoup plus économe en énergie.
« La nouvelle conception présente l’une des densités de courant les plus faibles parmi les matériaux magnétiques de Van der Waals », explique Kajale. « Cette nouvelle conception présente un ordre de grandeur inférieur en termes de courant de commutation requis dans les matériaux en vrac. Cela se traduit par une amélioration de l’efficacité énergétique d’environ deux ordres de grandeur. »
L’équipe de recherche étudie actuellement des matériaux van der Waals similaires à faible symétrie pour voir s’ils peuvent réduire encore davantage la densité de courant. Ils espèrent également collaborer avec d’autres chercheurs pour trouver des moyens de fabriquer des dispositifs de commutation magnétique 2D à l’échelle commerciale.
Plus d’information:
Shivam N. Kajale et al, Commutation déterministe sans champ du système de couple spin-orbite all-van der Waals au-dessus de la température ambiante, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adk8669
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.