Une recherche révolutionnaire ouvre la voie à la prochaine génération de dispositifs MRAM
Les disques durs d’ordinateurs, les disques optiques, les mémoires flash et autres dispositifs sont des mémoires non volatiles, ce qui signifie qu’elles peuvent conserver les données stockées même après la coupure de courant. Cependant, ces dispositifs sont lents (surtout pour l’écriture) et présentent des limites d’échelle. La mémoire vive magnétorésistive (MRAM) est un type de mémoire non volatile qui utilise des états magnétiques au lieu de charges électriques pour stocker des bits. Cette technologie présente un grand potentiel pour la création d’une mémoire universelle, qui se caractérise par une capacité d’écriture instantanée, une endurance et une rétention des données illimitées.
Le couplage spin-orbite permet d’améliorer les dispositifs MRAM
La prochaine génération de MRAM sera fondée sur de nouveaux mécanismes spintroniques, qui promettent des opérations encore plus rapides et une consommation d’énergie plus faible. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet GRISOTO a exploré la manière dont les hétérostructures construites à partir de matériaux 2D (graphène) et d’isolants topologiques pouvaient contribuer à induire un couplage spin-orbite dans les matériaux ferromagnétiques. Regina Galceran, chercheuse principale du projet, explique: «Notre objectif est de contrôler la magnétisation d’un aimant ferromagnétique, qui détermine si un dispositif de mémoire est allumé ou éteint, via le flux d’un petit courant électrique. On y parvient en utilisant une couche contiguë faite d’un matériau présentant un fort couplage spin-orbite.» Lorsqu’un électron avec un moment désaligné passe dans l’aimant ferromagnétique, le décalage (désalignement) donne lieu à une petite force de torsion: un couplage. Un courant important peut générer un couplage suffisamment grand pour modifier la direction de la magnétisation globale de l’aimant ferromagnétique. La capacité de contrôler la commutation de magnétisation (alignement de spin parallèle à antiparallèle) par ces couplages de transfert de spin est exploitée dans les dispositifs MRAM de la prochaine génération. Les matériaux prometteurs produisant de grands couplages spin-orbite comprennent les dichalcogénures de métaux de transition et les isolants topologiques, mais leurs performances sont limitées par la diffusion de l’alliage à l’interface avec l’aimant ferromagnétique.
Le graphène, une plateforme prometteuse pour les phénomènes basés sur le spin
Pour relever ce défi, GRISOTO a exploré les avantages de l’introduction d’une couche de graphène entre l’aimant ferromagnétique et le matériau à fort couplage spin-orbite. Grâce à son faible couplage spin-orbite, le graphène permet de préserver la cohérence du spin des électrons pendant une longue période. On a prédit que la combinaison des deux matériaux donnerait lieu à des phénomènes uniques de spin-orbite induits par la proximité, qui pourraient être utilisés pour maîtriser le courant de spin. «La croissance directe du graphène dans les substrats par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) nécessite l’optimisation de chaque substrat. Dans notre étude, nous avons simplifié le processus en transférant le graphène obtenu par CVD sur le film d’isolant topologique», fait remarquer Regina Galceran. «Nous avons découvert que le graphène protège la surface sous-jacente de l’isolant topologique de l’oxydation. Qui plus est, il empêche le mélange d’atomes aux interfaces aimant ferromagnétique-isolant topologique qui supprime les couplages spin-orbite.»
Comment la technologie MRAM peut-elle bénéficier à la société?
«Il est essentiel de mettre au point un moyen fiable de changer l’orientation du spin dans les aimants ferromagnétiques pour produire des dispositifs de stockage de données et, à terme, des circuits logiques. Les applications de l’Internet des objets et les villes intelligentes combinent plusieurs technologies, l’analyse en temps réel, l’apprentissage automatique et les systèmes embarqués. Une défaillance des performances pourrait avoir des conséquences catastrophiques: prenez, par exemple, les véhicules autonomes», explique Regina Galceran. «Dans ces cas, les circuits logiques pourraient tirer parti de l’endurance élevée, de la vitesse d’écriture et de la protection contre les pannes de courant des MRAM à couplage spin-orbite» Les MRAM à couplage spin-orbite intégrées dans les microprocesseurs changeraient la donne pour l’informatique. Elle permettraient non seulement de doter les architectures de processeurs existantes de mémoires non volatiles, mais aussi de repenser la façon dont les cœurs de processeurs peuvent être conçus au niveau du système.
Mots‑clés
GRISOTO, graphène, aimant ferromagnétique, MRAM, couplage spin-orbite, isolant topologique, mémoire vive magnétorésistive