Approche du régime térahertz : les aimants quantiques à température ambiante changent d'état des milliards de fois par seconde

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Image de microscopie électronique à transmission haute résolution de la jonction antiferromagnétique montrant des couches de différents matériaux (à gauche). Schéma montrant les propriétés magnétiques des matériaux (à droite). CRÉDIT ©2023 Nakatsuji et al.

Résumé:
Une classe de dispositifs de mémoire non volatile, appelée MRAM, basée sur des matériaux magnétiques quantiques, peut offrir des performances mille fois supérieures aux dispositifs de mémoire de pointe actuels. Il a déjà été démontré que les matériaux connus sous le nom d'antferromagnétiques stockaient des états de mémoire stables, mais qu'ils étaient difficiles à lire. Cette nouvelle étude ouvre un moyen efficace pour lire les états de la mémoire, avec le potentiel de le faire incroyablement rapidement aussi.

Approche du régime térahertz : les aimants quantiques à température ambiante changent d'état des milliards de fois par seconde

Tokyo, Japon | Publié le 20 janvier 2023

Vous pouvez probablement cligner des yeux environ quatre fois par seconde. Vous pourriez dire que cette fréquence de clignotement est de 4 hertz (cycles par seconde). Imaginez essayer de cligner des yeux 1 milliard de fois par seconde, ou à 1 gigahertz, ce serait physiquement impossible pour un humain. Mais c'est l'ordre de grandeur actuel dans lequel les appareils numériques haut de gamme contemporains, tels que la mémoire magnétique, changent d'état au fur et à mesure que les opérations sont effectuées. Et beaucoup de gens souhaitent repousser la limite mille fois plus loin, dans le régime d'un billion de fois par seconde, ou térahertz.

La barrière pour réaliser des dispositifs de mémoire plus rapides peut être les matériaux utilisés. Les puces MRAM haute vitesse actuelles, qui ne sont pas encore assez courantes pour apparaître sur votre ordinateur personnel, utilisent des matériaux magnétiques ou ferromagnétiques typiques. Celles-ci sont lues à l'aide d'une technique appelée magnétorésistance à effet tunnel. Cela nécessite que les constituants magnétiques du matériau ferromagnétique soient alignés dans des arrangements parallèles. Cependant, cet agencement crée un champ magnétique puissant qui limite la vitesse à laquelle la mémoire peut être lue ou écrite.

"Nous avons fait une percée expérimentale qui dépasse cette limite, et c'est grâce à un autre type de matériau, les antiferromagnétiques", a déclaré le professeur Satoru Nakatsuji du département de physique de l'Université de Tokyo. "Les antiferromagnétiques diffèrent des aimants typiques à bien des égards, mais en particulier, nous pouvons les disposer autrement que par des lignes parallèles. Cela signifie que nous pouvons annuler le champ magnétique qui résulterait d'arrangements parallèles. On pense que la magnétisation des ferromagnétiques est nécessaire pour que la magnétorésistance tunnel puisse lire à partir de la mémoire. De manière frappante, cependant, nous avons découvert que c'était également possible pour une classe spéciale d'antferromagnétiques sans magnétisation, et j'espère qu'elle peut fonctionner à des vitesses très élevées.

Nakatsuji et son équipe pensent qu'il est possible d'atteindre des vitesses de commutation dans la gamme des térahertz, et que cela est également possible à température ambiante, alors que les tentatives précédentes nécessitaient des températures beaucoup plus froides et n'avaient pas donné des résultats aussi prometteurs. Cependant, pour améliorer son idée, l'équipe doit affiner ses appareils, et il est essentiel d'améliorer la façon dont elle les fabrique.

"Bien que les constituants atomiques de nos matériaux soient assez familiers - manganèse, magnésium, étain, oxygène, etc. - la manière dont nous les combinons pour former un composant de mémoire utilisable est nouvelle et inconnue", a déclaré le chercheur Xianzhe Chen. « Nous cultivons des cristaux dans le vide, en couches incroyablement fines en utilisant deux procédés appelés épitaxie par faisceau moléculaire et pulvérisation magnétron. Plus le vide est élevé, plus les échantillons que nous pouvons cultiver sont purs. C'est une procédure extrêmement difficile et si nous l'améliorons, nous nous faciliterons la vie et produirons également des appareils plus efficaces.

Ces dispositifs de mémoire antiferromagnétiques exploitent un phénomène quantique connu sous le nom d'intrication, ou interaction à distance. Mais malgré cela, ces recherches ne sont pas directement liées au domaine de plus en plus célèbre de l'informatique quantique. Cependant, les chercheurs suggèrent que de tels développements pourraient être utiles, voire essentiels, pour établir un pont entre le paradigme actuel de l'informatique électronique et le domaine émergent des ordinateurs quantiques.

Financement:
Ce travail a été partiellement soutenu par le programme JST-Mirai (n° JPMJMI20A1), le programme ST-CREST (n° JPMJCR18T3, JST-PRESTO et JPMJPR20L7) et JSPS KAKENHI (n° 21H04437 et 22H00290).

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