Des scientifiques dirigés par des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont fait des progrès significatifs dans le développement de matériaux alternatifs pour les puces de mémoire à grande vitesse qui permettent aux ordinateurs d’accéder rapidement aux informations et qui contournent les limites des matériaux existants.
Ils ont découvert un moyen qui leur permet de donner un sens aux données auparavant difficiles à lire stockées dans ces matériaux alternatifs, appelés antiferromagnétiques.
Les chercheurs considèrent les antiferromagnétiques comme des matériaux attrayants pour la fabrication de puces de mémoire d’ordinateur car ils sont potentiellement plus économes en énergie que les puces traditionnelles en silicium. Les puces mémoire constituées d’antferromagnétiques ne sont pas soumises aux contraintes de taille et de vitesse ni aux problèmes de corruption inhérents aux puces réalisées avec certains matériaux magnétiques.
Les données informatiques sont stockées sous forme de code composé d’une chaîne de 1 et de 0. Actuellement, des méthodes existent pour « écrire » des données sur des antiferromagnétiques, en les configurant de manière à ce qu’ils puissent représenter soit le chiffre 1, soit le chiffre 0.
Cependant, la « lecture » de ces données à partir d’antferromagnétiques s’est avérée insaisissable pour les chercheurs car il n’existait aucune méthode pratique dans le passé qui pouvait déterminer le numéro sous lequel les matériaux étaient codés.
Aujourd’hui, des scientifiques dirigés par le professeur agrégé Gao Weibo de l’École des sciences physiques et mathématiques (SPMS) de NTU ont trouvé une solution.
Les résultats de leurs expériences, publiés en ligne dans Nature en juin 2023, a montré qu’à des températures ultra-basses proches de la froideur de l’espace extra-atmosphérique, s’ils faisaient passer un courant à travers des antiferromagnétiques, une tension unique était mesurée à travers eux.
Selon que cette tension était positive ou négative, les scientifiques pouvaient déterminer si les antiferromagnétiques étaient codés 1 ou 0. Cela permet alors de lire les données stockées dans les matériaux.
« Notre découverte fournit un moyen simple de lire les données stockées dans les antiferromagnétiques en étant capable de distinguer les deux états que les matériaux peuvent prendre », a déclaré le professeur Assoc Gao. « Les résultats font avancer la recherche sur l’utilisation future d’antferromagnétiques pour la mémoire informatique. »
Les puces pour mémoire d’ordinateur, également appelées mémoire vive (RAM), sont utilisées pour accéder rapidement aux données, par exemple pour ouvrir des logiciels et éditer des documents dans des ordinateurs.
Les puces de mémoire fabriquées avec des antiferromagnétiques devraient stocker et modifier les données plus rapidement que celles fabriquées à partir de matériaux magnétiques appelés ferromagnétiques, car elles peuvent changer entre les états 1 et 0 environ 100 fois plus rapidement. Ceci est utile pour les tâches informatiques gourmandes en ressources.
Des chercheurs de l’Institut des sciences Weizmann d’Israël, de l’Institut national des sciences des matériaux du Japon et de l’Université chinoise de Chongqing ont également contribué à l’étude dirigée par NTU.
Les résultats de la recherche illustrent un objectif clé du plan stratégique NTU 2025 sur la recherche interdisciplinaire avec un impact intellectuel et sociétal significatif.
Problèmes magnétiques
La mémoire informatique comprend traditionnellement des micropuces de silicium. Mais au cours des dernières décennies, les chercheurs ont cherché à utiliser des matériaux magnétiques appelés ferromagnétiques, fabriqués à partir d’alliages de cobalt et de fer, pour les puces de mémoire, et qui sont maintenant utilisés dans l’intelligence artificielle et les applications spatiales. Cela s’explique en partie par le fait que les puces ferromagnétiques sont plus économes en énergie que celles en silicium.
Les puces mémoire utilisent les propriétés internes des ferromagnétiques pour stocker des données. Les ferromagnétiques contiennent des « mini-aimants » en raison du comportement de leurs électrons. Lorsque ces mini-aimants sont alignés d’une manière spécifique, les matériaux seront dans un état qui peut représenter 1. Orienter les mini-aimants d’une manière différente entraîne un état représentant 0.
Cependant, si les puces ferromagnétiques sont exposées à des champs magnétiques, tels que ceux des lignes électriques ou des équipements industriels avec des électroaimants, ces propriétés intrinsèques – l’alignement des mini-aimants – peuvent être perturbées, corrompant ou détruisant ainsi les données stockées.
Bien que ce problème puisse être résolu en protégeant les puces, les ferromagnétiques produisent également eux-mêmes des champs magnétiques qui peuvent perturber les propriétés internes d’autres ferromagnétiques à proximité.
Les antiferromagnétiques peuvent surmonter ces problèmes car ils ne produisent pas de champs magnétiques car leurs propriétés internes sont légèrement différentes de celles des ferromagnétiques, en raison de la façon dont leurs mini-aimants sont alignés.
Cela signifie également qu’ils ne seront pas perturbés en présence d’autres aimants, et plus d’antferromagnétiques peuvent être emballés dans le même espace que les ferromagnétiques, augmentant ainsi la capacité de mémoire.
Pourtant, malgré la recherche de moyens de configurer les antiferromagnétiques pour coder les données sous forme de 1 et de 0, la lecture de ces informations a été difficile car il n’existait aucune méthode pratique permettant de distinguer l’état dans lequel se trouvaient les matériaux.
Une tension unique résout le problème de lecture des données
En étudiant les propriétés physiques d’un nouveau matériau antiferromagnétique appelé tellurure de manganèse-bismuth, l’équipe du professeur Assoc Gao est tombée sur une observation qui a résolu le problème de lecture des données.
Dans leurs expériences, les scientifiques ont fait passer un courant alternatif à travers un très petit appareil de la taille d’une goutte de pluie constituée de flocons de cristal de tellurure de manganèse-bismuth à des températures extrêmement basses d’environ 5° Kelvin ou -268° Celsius, ce qui se rapproche de la froideur de l’espace extra-atmosphérique.
Étonnamment, les chercheurs ont trouvé un signal de tension unique à travers les cristaux avec une fréquence double de celle du courant alternatif. Par exemple, le passage d’un courant de 10 microampères à une fréquence de 100 hertz produit une tension de 0,2 millivolts avec une fréquence de 200 hertz. Les scientifiques s’attendaient à ce que les fréquences de la tension et du courant soient les mêmes.
Ils ont également découvert qu’en fonction de la configuration du tellurure de bismuth manganèse antiferromagnétique, le signe de la tension changeait.
Si la tension était positive, cela signifiait que l’antferromagnétique était dans un état représentant 0. Si la tension était négative, le matériau était dans un état représentant 1. Cette observation résout le problème de ne pas pouvoir lire facilement les informations stockées dans les antiferromagnétiques.
Les scientifiques pensent que d’autres antiferromagnétiques afficheront un comportement similaire et leur prochaine étape consistera à tester de tels matériaux capables de coder des données à température ambiante.
Les chercheurs ont déclaré que la tension unique provient des propriétés électroniques des cristaux de tellurure de manganèse-bismuth, appelées métrique quantique. Les propriétés n’ont pas été expérimentalement observées jusqu’à récemment. Cette dernière découverte ouvre la voie à de nouvelles investigations sur les systèmes où ces propriétés comptent et qui sont expliquées par la mécanique quantique, l’étude du comportement de la matière et de l’énergie aux niveaux atomique et subatomique.
L’un des critiques indépendants et anonymes de l’article a écrit que les expériences du groupe « découvrent le phénomène de transport causé par la métrique quantique, qui est important pour la physique de la topologie », ajoutant que « les résultats expérimentaux sont solides et convaincants ».
Les scientifiques dirigés par NTU ont également découvert qu’en plus de la tension inattendue qu’ils ont détectée, il y avait une autre tension qui provenait d’un courant continu induit par le courant alternatif traversant les cristaux de tellurure de manganèse-bismuth. Par exemple, ils ont découvert qu’un courant alternatif de 10 microampères produisait une tension de 0,3 millivolts qui était liée au courant continu.
La découverte suggère que l’énergie sans fil, comme celle du Wi-Fi et des signaux mobiles, pourrait amener les antiferromagnétiques à produire de l’électricité qui pourrait un jour être exploitée pour alimenter des appareils électroniques portables.
Le professeur Assoc Gao a déclaré que son équipe prévoyait de nouvelles recherches pour augmenter la quantité d’énergie qui pourrait être récoltée de cette manière.
Plus d’information:
Naizhou Wang et al, Transport non linéaire induit par la métrique quantique dans un antiferromagnétique topologique, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06363-3