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La quête de miniaturisation et d’efficacité énergétique dans l’industrie informatique pourrait bien connaître une avancée majeure grâce à une nouvelle technique impliquant des aimants bidimensionnels (2D) à l’échelle atomique. Ces aimants, fabriqués à partir de matériaux tels que le graphène, pourraient potentiellement transformer la conception des composants informatiques, offrant des dispositifs plus petits, plus puissants et extrêmement économes en énergie. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Nature Communications.
La miniaturisation des composants informatiques
L’informatique moderne repose sur la capacité à réduire la taille des transistors et des portes logiques dans les processeurs. En théorie, plus ces composants sont petits, plus il est possible de concentrer une grande puissance de calcul sur une surface réduite. Cependant, les matériaux traditionnels, tels que le silicium, sont en train d’atteindre leurs limites physiques, rendant difficile toute poursuite significative de cette miniaturisation.
C’est dans ce contexte que la nouvelle technique de manipulation des états de spin dans les aimants 2D pourrait révolutionner la conception des puces informatiques. En effet, ces aimants peuvent être polarisés pour représenter les états binaires de 0 et 1, ouvrant la voie à des dispositifs beaucoup plus denses et économes en énergie.
Une nouvelle technologie basée sur les jonctions tunnels magnétiques
La clé de cette avancée réside dans une structure connue sous le nom de jonction tunnel magnétique (MTJ). Traditionnellement utilisée pour stocker des données, cette structure se compose de deux couches ferromagnétiques séparées par une barrière isolante. Dans la nouvelle approche, les chercheurs ont intégré du triiodure de chrome, un aimant isolant à l’échelle atomique, entre des couches de graphène. En appliquant un courant électrique, ils ont réussi à contrôler l’orientation des aimants à l’intérieur du triiodure de chrome, modifiant ainsi les états de spin.
Cette technique pourrait potentiellement permettre l’intégration d’une puissance de calcul bien supérieure dans une puce tout en réduisant considérablement la consommation d’énergie, un facteur crucial dans la course à l’efficacité énergétique des dispositifs modernes.
La spintronique
La spintronique, domaine qui exploite le spin des électrons et leur moment magnétique associé, joue un rôle central dans cette découverte. En contrôlant précisément le courant électrique, les chercheurs peuvent manipuler les états de spin dans le triiodure de chrome. Ce matériau ferromagnétique, qui se comporte comme un semi-conducteur, permet de répondre aux exigences de miniaturisation tout en supportant des densités de courant extrêmement élevées.
Le MTJ, déjà utilisé dans certaines applications comme les têtes de lecture des disques durs, trouve ici une nouvelle application. En effet, cette technologie permet de dépasser les limitations actuelles en matière de qualité des interfaces et d’épaisseur des couches. Selon Adelina Ilie, lectrice en physique à l’université de Bath, la possibilité d’avoir deux états définis du courant tunnel, parallèle et antiparallèle au spin, ouvre la porte à leur utilisation comme portes logiques dans les ordinateurs.
Une efficacité énergétique cruciale pour l’avenir de l’informatique
Les recherches ont démontré que cette technologie pourrait aboutir à des puces informatiques avec une puissance de traitement bien plus élevée que celle actuellement disponible, tout en réduisant la consommation d’énergie nécessaire pour changer d’état. Cette découverte arrive à point nommé alors que des technologies comme l’IA générative augmentent considérablement les besoins énergétiques.
Les scientifiques ont réussi à créer ces aimants 2D de van der Waals en superposant des flocons de graphène, de nitrure de bore hexagonal et de triiodure de chrome. En refroidissant ces structures à une température proche du zéro absolu et en appliquant un courant électrique, ils ont observé une commutation aléatoire entre les états de spin parallèle et antiparallèle. Cette commutation se fait à une échelle de temps de l’ordre de la microseconde, un millionième de seconde, ce qui ouvre des perspectives pour la création de dispositifs ultra-rapides.
Cependant, la nécessité de maintenir ces dispositifs à des températures extrêmement basses représente un défi pour leur mise en œuvre pratique. Malgré cela, la réduction significative de l’énergie nécessaire pour faire basculer les états de spin, comparée aux MTJ conventionnels, pourrait avoir des implications majeures pour l’avenir de l’informatique, notamment dans le contexte de l’IA. Par ailleurs, un nouveau transistor révolutionnaire pourrait changer le monde de l’électronique.