Les calculs numériques reposent sur la capacité de lire, d’écrire et d’effacer un état de marche ou d’arrêt dans un matériau, représentant le « 0 » et le « 1 » de données binaires. Dans les circuits intégrés actuels, cette capacité est assurée par des transistors, qui sont des matériaux semi-conducteurs – comme le silicium ou le germanium (éléments tétraédriques) – capables de faire passer des signaux électriques à un état « on » ou « off » et donc de fonctionner comme l’état binaire ou la porte logique d’un calcul numérique.
Ainsi, les transistors métal-oxyde-silicium des circuits intégrés constituent les cellules de mémoire des puces et, en raison de leur relative facilité de fabrication, de leur évolutivité et de leur faible consommation d’énergie, ces puces se retrouvent dans presque tous les appareils électroniques numériques, des smartphones aux téléviseurs. L’effet à l’échelle de la civilisation de ce matériau fonctionnel à l’état binaire facilement contrôlable ne doit pas être sous-estimé, puisque même l’Office américain des brevets et des marques le qualifie d' »invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde entier » [1].
La capacité de miniaturiser les transistors et d’en empiler de plus en plus sur une plaque de silicium a été l’une des principales forces motrices de l’augmentation de la puissance et des capacités de calcul. Toutefois, un certain seuil se rapproche rapidement : la poursuite de la miniaturisation nécessitera bientôt le contrôle de l’état binaire (l’état activé/désactivé – « 0 » et « 1 ») d’atomes uniques ou même de particules subatomiques. Cela pose une série de défis considérables aux scientifiques qui tentent de comprendre comment réaliser des calculs binaires en utilisant les états quantiques de la matière.
Une possibilité intéressante consiste à accéder à l’état de spin de l’atome ou de l’électron, une forme d’informatique appelée spintronique, dans laquelle la chiralité ou « handedness » (spin-up ou spin-down) d’un électron et le couplage spin-charge associé dans un matériau peuvent être utilisés comme un état supplémentaire, en plus de l’état de charge, pour les opérations de lecture/écriture. Les systèmes spintroniques ont des implications prometteuses pour les progrès de l’informatique quantique, de l’informatique neuromorphique (voir notre récent article « Novel Material Found to Contain Electronically Accessible Continuous Memory ») et du stockage de données massivement puissant. Comme l’accès à la mémoire continue évoqué dans l’article précédent, la spintronique est une technique plus proche de la manière dont le maître de la nano-ingénierie ; le système biologique, traite l’information. Pour en savoir plus sur la spintronique et le filtrage sélectif du spin induit par la chiralité des macromolécules dans l’organisme vivant, consultez l’article du Dr Olivier Alirol, physicien à l’ISF, intitulé Nature’s Effective Way of Conducting Electrons (La manière efficace de conduire les électrons).
Pour la réalisation technologique de systèmes basés sur la spintronique, une classe de matériaux uniques appelés antiferromagnétiques présente des applications potentielles intéressantes. Contrairement aux ferromagnétiques ordinaires qui ont un champ magnétique accessible de l’extérieur, les antiferromagnétiques ont un ordre magnétique intrinsèque mais seulement un champ magnétique externe d’interaction faible ou négligeable. Cette propriété est très utile pour le stockage de mémoires à haute densité, car les champs quantiques externes en interaction deviennent un problème important avec la miniaturisation des composants de bits, car les cellules de mémoire adjacentes peuvent interférer.
Les antiferromagnétiques offrent donc des fonctionnalités technologiques très intéressantes, telles que :
- insensibilité aux perturbations dommageables pour les données dues aux champs parasites en raison d’une magnétisation externe nette nulle [2]
- aucun effet sur les particules proches, ce qui implique que les éléments antiferromagnétiques du dispositif ne perturberaient pas magnétiquement les éléments voisins
- des temps de commutation beaucoup plus courts (la fréquence de résonance antiferromagnétique est de l’ordre du THz, alors que la fréquence de résonance ferromagnétique est de l’ordre du GHz) [3]
- une large gamme de matériaux antiferromagnétiques couramment disponibles, y compris les isolants, les semi-conducteurs, les semi-métaux, les métaux et les supraconducteurs.
Le semi-métal Mn3Sn, un cristal antiferromagnétique connu pour son effet Hall anormal presque sans magnétisation, est un matériau remarquable qui pourrait un jour permettre une telle mémoire couplée charge-spin. L’effet Hall est un effet fondamental en physique dans lequel un porteur de charge subit une dérive transversale à la direction de la conduction électrique et perpendiculaire à un champ magnétique externe. Dans l’effet Hall anormal, la même dérive orthogonale se produit mais en l’absence d’un champ magnétique externe, elle provient du champ magnétique intrinsèque résultant de la structure du réseau du matériau conducteur. L’effet Hall anormal est donc une modalité puissante pour sonder les propriétés et les comportements uniques des antiferromagnétiques, comme le piézomagnétisme..
Comme son homologue électrique, l’effet piézoélectrique, dans lequel des courants électriques sont induits à partir d’une contrainte mécanique ou vice-versa – dont le matériau le plus pertinent sur le plan technologique est le cristal de quartz, dans lequel les propriétés piézoélectriques sont utilisées pour former la porte temporelle dans les unités centrales de traitement et la haute précision des horloges atomiques – le piézomagnétisme associe la contrainte mécanique dans les cristaux antiferromagnétiques à l’induction spontanée d’un moment magnétique ou, inversement, d’une déformation physique par l’application d’un champ magnétique.
Auparavant, l’expérimentation du piézomagnétisme était limitée aux isolants antiferromagnétiques à des températures cryogéniques (comme nous l’avons expliqué dans l’article « Construction de nanotubes de carbone supraconducteurs guidée par l’ADN », les propriétés phénoménales des matériaux qui n’apparaissent qu’à des températures ultra-froides ont une applicabilité technologique limitée). Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs de l’université de Tokyo, de l’université de Birmingham et de l’Institut Max Planck pour la physique chimique des solides a rapporté dans la revue Nature Physics la découverte d’un important piézomagnétisme dans le Mn3Sn à température ambiante. [4].
L’équipe internationale de chercheurs a découvert que l’effet Hall anormal peut être finement réglé en appliquant une légère déformation uniaxiale au cristal antiferromagnétique, de sorte que le piézomagnétisme peut être utilisé pour contrôler l’effet Hall anormal dans le Mn3Sn de manière distincte de l’aimantation via la déformation uniaxiale (conventionnellement, le contrôle fonctionnel de l’effet Hall anormal est réalisé en appliquant un champ magnétique externe).
Etats magnétiques locaux du Mn3Sn, représentés comme des heures sur une horloge ; les états des nombres impairs sont les états fondamentaux.
Comme le Mn3Sn n’est pas un antiferromagnétique parfait, il conserve un faible champ magnétique externe. En appliquant une contrainte au cristal et en augmentant le champ magnétique externe, les chercheurs ont pu montrer qu’il n’y avait pas d’effet correspondant sur la tension à travers le matériau, et que c’est donc la disposition des électrons en rotation à l’intérieur du matériau qui est responsable de l’effet Hall anormal.
Illustration de l’effet piézomagnétique dans Mn3Sn. À l’état non contraint, il existe une petite magnétisation spontanée Ms(K) qui résulte de l’inclinaison des moments du sous-réseau vers leurs axes faciles locaux respectifs. L’application d’une contrainte uniaxiale rend l’interaction d’échange anisotrope. Par exemple, dans l’état III soumis à une compression +x, les liaisons horizontales deviennent plus courtes, l’interaction d’échange entre ces liaisons augmente et les spins reliés par des liaisons horizontales tournent pour devenir plus antiparallèles. Cette rotation augmente le moment magnétique net le long de +x. Les états liés par l’opération de renversement du temps T (+-K) ont une magnétisation induite par la déformation opposée.
Comme l’indique le co-auteur de l’article, le Dr. Clifford Hicks : « Ces expériences prouvent que l’effet Hall est causé par les interactions quantiques entre les électrons de conduction et leurs spins. Ces résultats sont importants pour comprendre – et améliorer – la technologie des mémoires magnétiques ». [Des scientifiques lèvent le voile sur le mystère de l’effet Hall à la recherche de la prochaine génération de dispositifs de stockage de mémoire].
La capacité d’intégrer de plus en plus de cellules de mémoire dans des puces intégrées de plus en plus petites nécessitera un contrôle fin des propriétés quantiques des matériaux et la compréhension de la manière de contrôler l’effet Hall anormal et la commutation piézomagnétique, comme le démontre cette dernière découverte, offrira des avancées significatives dans le domaine de la technologie des mémoires magnétiques et de la spintronique. Nous savons maintenant que l’effet Hall anormal peut être contrôlé, tant dans son signe que dans son ampleur, par des déplacements du réseau induits par la déformation et l’anisotropie électronique qui en résulte dans certains matériaux, comme le cristal antiferromagnétique Mn3Sn.
Le professeur Satoru Nakatsuji et le professeur associé Tomoya Higo du département de physique de l’université de Tokyo, coauteurs de l’article de Nature Physics, ont commenté plus en détail la remarquable découverte de leur équipe :
« Comme les ferromagnétiques, les propriétés magnétiques des antiferromagnétiques résultent du comportement collectif des particules qui les composent, en particulier les spins de leurs électrons, ce qui est analogue au moment angulaire. Ces deux matériaux peuvent être utilisés pour coder des informations en modifiant des groupes localisés de particules constitutives. Toutefois, les antiferromagnétiques présentent un avantage certain en ce qui concerne la rapidité avec laquelle ces modifications des états de spin stockant l’information peuvent être effectuées, au prix d’une complexité accrue. »
“Certains dispositifs de mémoire spintronique existent déjà. La mémoire MRAM (magnetoresistive random access memory) a été commercialisée et peut remplacer la mémoire électronique dans certaines situations, mais elle est basée sur la commutation ferromagnétique. Après de nombreux essais et erreurs, je pense que nous sommes les premiers à rapporter la commutation réussie des états de spin dans le matériau antiferromagnétique Mn3Sn en utilisant la même méthode que celle utilisée pour les ferromagnétiques dans la MRAM, ce qui signifie que nous avons amené la substance antiferromagnétique à agir comme un simple dispositif de mémoire ». [L’étape de la mémoire magnétique : Les développements dans le domaine de la spintronique promettent des dispositifs plus rapides et plus efficaces.]
Selon l’équipe de recherche, le contrôle de l’effet Hall anormal par la contrainte engendre des moyens supplémentaires pour contrôler les antiferromagnétiques, en complément du contrôle utilisant le champ magnétique et le courant électrique. Comme l’indique l’équipe de recherche internationale dans son article : « étant donné le récent rapport sur l’amélioration optique gigantesque du THz [5], ainsi que la perspective de la spintronique antiferromagnétique, l’effet piézomagnétique peut devenir utile pour faciliter le fonctionnement ultrarapide des antiferromagnétiques.”
Références
[1] « Remarks by Director Iancu at the 2019 International Intellectual Property Conference ». United States Patent and Trademark Office. June 10, 2019. Retrieved August 29, 2022.
[2] Jungwirth, T.; Marti, X.; Wadley, P.; Wunderlich, J. (2016). « Antiferromagnetic spintronics ». Nature Nanotechnology. Springer Nature. 11 (3): 231–241. doi:10.1038/nnano.2016.18
[3] Gomonay, O.; Jungwirth, T.; Sinova, J. (21 February 2017). « Concepts of antiferromagnetic spintronics ». Physica Status Solidi RRL. Wiley. 11 (4): 1700022. arXiv:1701.06556
[4] M. Ikhlas et al., “Piezomagnetic switching of the anomalous Hall effect in an antiferromagnet at room temperature,” Nat. Phys., pp. 1–8, Aug. 2022, doi: 10.1038/s41567-022-01645-5
[5] Ankit S Disa et al. “Polarizing an antiferromagnet by optical engineering of the crystal field”. In: Nat. Phys. 16.9 (2020), pp. 937–941.