Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de la TU Chemnitz, de la TU Dresden et du Forschungszentrum Jülich ont été les premiers à démontrer que non seulement des bits individuels, mais des séquences de bits entières peuvent être stockées dans des domaines cylindriques : de minuscules zones cylindriques mesurant environ 100 nanomètres.
En tant qu’équipe rapports dans le journal Matériaux électroniques avancésces découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types de stockage de données et de capteurs, y compris des variantes magnétiques de réseaux neuronaux.
« Un domaine cylindrique, que nous, les physiciens, appelons également domaine à bulles, est une minuscule zone cylindrique dans une fine couche magnétique. Ses spins, le moment angulaire intrinsèque des électrons qui génère le moment magnétique dans le matériau, pointent dans une direction spécifique.
« Cela crée une magnétisation différente de celle du reste de l’environnement. Imaginez une petite bulle magnétique en forme de cylindre flottant dans une mer de magnétisation opposée », explique le professeur Olav Hellwig de l’Institut de physique des faisceaux ioniques et de recherche sur les matériaux du HZDR. Lui et son équipe sont convaincus que de telles structures magnétiques possèdent un grand potentiel pour les applications spintroniques.
Sur les bords de ce domaine cylindrique se forment des parois de domaine, des zones marginales dans lesquelles la direction de l’aimantation change. Dans la technologie de stockage magnétique que l’équipe de Hellwig tente de mettre au point, il sera crucial de contrôler avec précision la structure de spin dans la paroi de domaine, car son sens horaire ou antihoraire peut être utilisé directement pour coder des bits.
Les chercheurs se penchent également sur un autre aspect : « Nos disques durs actuels, avec leurs largeurs de piste de 30 à 40 nanomètres et leurs longueurs de bits de 15 à 20 nanomètres, peuvent contenir environ un téraoctet sur une surface de la taille d’un timbre-poste. Nous travaillons à surmonter cette limitation de la densité des données en étendant le stockage à la troisième dimension », explique Hellwig.
La solution : les métamatériaux en 3D
Les structures magnétiques multicouches sont un moyen intéressant de contrôler la structure de spin interne des parois de domaine, car les énergies magnétiques impliquées peuvent être ajustées en combinant différents matériaux et épaisseurs de couche.
L’équipe de Hellwig a utilisé des blocs de couches alternées de cobalt et de platine, séparées par des couches de ruthénium, et les a déposés sur des plaquettes de silicium. Le métamatériau obtenu est un antiferromagnétique synthétique. Sa particularité est une structure de magnétisation verticale dans laquelle les blocs de couches adjacents ont des directions de magnétisation opposées, ce qui donne une magnétisation nette neutre globale.
« C’est là qu’intervient le concept de mémoire « circuit de course ». Le système ressemble à un circuit de course, le long duquel les bits sont disposés comme un collier de perles. L’ingéniosité de notre système réside dans le fait que nous pouvons contrôler spécifiquement l’épaisseur des couches et donc leurs propriétés magnétiques.
« Cela nous permet d’adapter le comportement magnétique de l’antiferromagnétique synthétique pour permettre le stockage non seulement de bits individuels, mais de séquences de bits entières, sous la forme d’une direction de magnétisation dépendant de la profondeur des parois du domaine », explique Hellwig.
Cela ouvre la perspective de transporter de tels domaines cylindriques multi-bits le long de ces autoroutes de données magnétiques de manière contrôlée, rapide et économe en énergie.
D’autres applications de la magnétoélectronique sont également possibles. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans des capteurs magnétorésistifs ou dans des composants spintroniques. De plus, ces nano-objets magnétiques complexes présentent un grand potentiel pour des implémentations magnétiques dans des réseaux neuronaux qui pourraient traiter des données de la même manière que le cerveau humain.
Plus d’information:
Ruslan Salikhov et al, Métamatériaux multicouches avec des domaines ferromagnétiques séparés par des parois de domaines antiferromagnétiques, Matériaux électroniques avancés (2024). DOI: 10.1002/aelm.202400251