Informatique
Comment la spintronique chirale pourrait transformer l’informatique
Comment la spintronique pourrait révolutionner l’informatique
Progressivement, le monde du matériel informatique commence à envisager des alternatives aux puces en silicium, voire aux formes classiques de calcul binaire.
Cela s’explique par le fait que les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à fabriquer, les dernières générations comportant des transistors de seulement quelques nanomètres.
Un autre facteur est que la consommation d’énergie devient un problème, la demande de puissance de calcul, notamment pour les systèmes d’IA, continuant de croître.
De nombreuses solutions sont proposées, le calcul quantique et la photonique étant les options les plus en vue pour réduire la demande de calcul ou le rendre plus rapide et moins énergivore.
Une autre est la spintronique, qui utilise le spin des électrons, une caractéristique quantique, au lieu du courant électrique (le flux d’électrons).
Avantages et applications potentielles de la spintronique
Les composants électroniques, tels que les transistors, sont traditionnellement fabriqués à partir de silicium et reposent sur les semi-conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d’un courant électrique.
Une façon alternative d’effectuer des calculs est d’utiliser des dispositifs spintroniques, qui fonctionnent grâce au spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt qu’au courant électrique (le flux d’électrons).
Source: Insight IAS
Les données peuvent être encodées à la fois dans le moment angulaire de spin, que l’on peut imaginer comme une orientation « haut » ou « bas » intégrée de l’électron, et dans le moment angulaire orbital, qui décrit comment les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques.
Parce que cela contient plus d’informations que le simple 0 & 1, le spin peut stocker davantage de données par atome que l’électronique traditionnelle.
La spintronique présente quelques autres avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment:
- Des données plus rapides, car le spin peut être modifié beaucoup plus rapidement.
- Consommation d’énergie moindre, car le spin peut être modifié avec moins de puissance que nécessaire pour maintenir un flux d’électrons afin de créer un courant.
- Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.
- Le spin est moins volatile que l’état semi-conducteur, rendant le stockage des données plus stable.
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| Fonctionnalité | Électronique traditionnelle | Spintronique |
|---|---|---|
| Porteur d’information | Courant électrique (0 ou 1) | Spin d’électron (haut/bas) |
| Efficacité énergétique | Forte demande énergétique | Consommation d’énergie moindre |
| Vitesse | Limité par le flux de courant | Commutation de spin plus rapide |
| Matériaux | Semi-conducteurs complexes | Métaux/oxydes simples |
| Stabilité des données | Stockage volatile | Stable, non volatile |
La spintronique a été commercialisée dans les têtes de lecture de disques durs depuis les années 1990, augmentant considérablement la densité de stockage au cours des dernières décennies.
“Le spin est une propriété quantique des électrons, semblable à un minuscule aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou le bas.
Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter l’information dans les dispositifs dits spintroniques.
Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology
De nombreux progrès récents ont été réalisés en spintronique, par exemple, que la perte de spin peut être reconvertie en magnétisation, rendant l’électronique spintronique encore plus économe en énergie, ou que la spintronique et le graphène pourraient alimenter les circuits quantiques de prochaine génération.
Et les scientifiques continuent de découvrir de nouvelles méthodes pour améliorer les dispositifs spintroniques, comme les chercheurs de l’Université nationale de Séoul (Corée du Sud), de l’Université de Corée, de l’Institut coréen de science et technologie et de la Feinberg School of Medicine (États‑Unis). Ils ont créé des nano‑hélices magnétiques capables de contrôler le spin des électrons, ce qui pourrait engendrer un tout nouveau domaine de dispositifs dits « spintronique chirale ».
Ils ont publié leurs résultats dans le prestigieux magazine scientifique Science1, sous le titre « Transport sélectif au spin à travers des nano‑hélices ferro‑magnétiques chirales ».
Spintronique chirale
Qu’est‑ce que la chiralité en spintronique ?
Dans la nature, la symétrie est une caractéristique fondamentale de nombreux éléments, y compris les composants de l’ADN et la lumière elle‑même. Il est possible que deux molécules presque identiques diffèrent non pas par leur composition ou forme, mais par leur orientation, un concept appelé « chiralité ».
La chiralité peut être expliquée de façon la plus simple comme la différence entre notre main gauche et notre main droite, bien que les deux mains soient identiques en forme, structure et fonction.
La chiralité joue un rôle fondamental en biologie, la sélection naturelle ayant choisi exclusivement les molécules d’ADN, de sucre et d’acides aminés « dextrogyres » (les composants de base des protéines).
Cependant, elle est rare dans les matériaux inorganiques, qui ont tendance à être désordonnés ou des cristaux dépourvus de chiralité.
Comment les métaux acquièrent la chiralité pour la spintronique
Les scientifiques ont réussi à créer des nano‑hélices magnétiques chirales gauches et droites en contrôlant électrochimiquement le processus de cristallisation du métal. Un alliage de cobalt‑fer a été choisi pour ses propriétés ferromagnétiques.
Une innovation clé de ce processus consiste à utiliser de faibles quantités de molécules organiques chirales, telles que la cinchonine ou la cinchonidine, qui ont guidé la formation des hélices.
“Dans les métaux et les matériaux inorganiques, contrôler la chiralité lors de la synthèse est extrêmement difficile, surtout à l’échelle nanométrique.
Le fait que nous puissions programmer la direction des hélices inorganiques simplement en ajoutant des molécules chirales représente une percée en chimie des matériaux.
Pour démontrer la chiralité de ces nano‑hélices, ils ont mesuré les champs électromagnétiques (CEM) générés par les hélices sous des champs magnétiques rotatifs.
Cela crée une méthode simple pour vérifier si le matériau a été correctement produit, les hélices gauches et droites générant des signaux CEM opposés, permettant une vérification quantitative de la chiralité, sans nécessiter que le matériau magnétique interagisse fortement avec la lumière, méthode habituelle de contrôle de la chiralité.
Plus important encore, ils ont découvert que ces métaux magnétiques chiraux peuvent également orienter le spin en conséquence : ils laissent préférentiellement passer un sens de spin, tandis que le spin opposé est bloqué.
“La chiralité est bien comprise dans les molécules organiques, où la main d’une structure détermine souvent sa fonction biologique ou chimique,”
Applications potentielles de la spintronique chirale
Grâce à la magnétisation inhérente du matériau (alignement des spins), le transport de spin sur de longues distances à température ambiante est devenu possible.
Cet effet s’est avéré constant, quel que soit l’angle entre l’axe chiral et la direction d’injection du spin. N’étant pas observé dans les nano‑hélices non magnétiques de même taille, il semble directement lié aux hélices magnétiques chirales.
Cela constituerait le premier transport de spin asymétrique jamais découvert dans un matériau de taille relativement macro.
L’équipe a également démontré un dispositif à l’état solide qui affichait des signaux de conduction dépendants de la chiralité, ouvrant la voie à des applications spintroniques pratiques.
“Ces nano‑hélices atteignent une polarisation de spin supérieure à ~80 % — simplement grâce à leur géométrie et leur magnétisme,”
C’est une combinaison rare de chiralité structurelle et de ferromagnétisme intrinsèque, permettant le filtrage du spin à température ambiante sans circuit magnétique complexe ni cryogénie, et offrant une nouvelle manière de concevoir le comportement des électrons grâce à la conception structurelle.
Un autre avantage de cette nouvelle technologie est que le processus de fabrication est relativement simple et bon marché, n’utilisant aucun matériau rare ni technologies complexes.
“Nous croyons que ce système pourrait devenir une plateforme pour la spintronique chirale et l’architecture de nanostructures magnétiques chirales.
Ce travail représente une convergence puissante de la géométrie, du magnétisme et du transport de spin, construit à partir de matériaux inorganiques évolutifs.
Beaucoup plus de travail reste à faire pour explorer pleinement le potentiel de cette nouvelle idée et de ces matériaux. Par exemple, le nombre de brins (double, hélices multiples) peut être modifié à volonté, et pourrait produire des caractéristiques différentes encore à découvrir.
“La capacité de contrôler la main (gauche/droite) et même le nombre de brins (double, hélices multiples) grâce à cette méthode électrochimique polyvalente devrait contribuer de manière significative à de nouveaux domaines d’application.”
Entre la facilité de production et la possibilité de transfert de spin sur de longues distances, cela pourrait être très utile pour la fabrication d’ordinateurs et de réseaux entièrement basés sur le spin, avec des avantages économiques liés à une consommation d’énergie moindre et à un stockage de données stable.
Investir dans les innovateurs de la spintronique
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin est une filiale de Freescale (désormais connue sous le nom de NXP, symbole boursier NXPI) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM, la forme la plus courante de spintronique commercialement viable aujourd’hui. Elle a été scindée et est devenue publique en 2016.
Everspin est considéré comme le leader de la technologie MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), héritant de l’expérience de Freescale en étant le premier à commercialiser une puce MRAM en 2006.
Comme la MRAM est une mémoire qui persiste même en l’absence de courant, elle est de plus en plus utilisée dans des cas d’utilisation sensibles où les données critiques sont trop importantes pour risquer une perte.
Propulsé par des applications omniprésentes telles que l’analyse de données, l’informatique en nuage, tant terrestre qu’extraterrestre, l’intelligence artificielle (IA) et l’Edge IA, y compris l’IoT industriel, le marché de la mémoire persistante devrait croître à un TCAC de 27,5 % entre 2020 et 2030
Source: Everspin
La société estime que le marché atteindra une taille de 7,4 milliards de dollars d’ici 2027. Elle n’a aucune dette et un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021.
Les produits MRAM d’Everspin occupent actuellement une petite mais croissante niche, desservant des marchés où la fiabilité est cruciale, comme l’aérospatiale, les satellites, les enregistreurs de données, les dispositifs de surveillance des patients, etc.
Source: Everspin
La croissance des ensembles de puces, de l’IA et des systèmes synaptiques pourrait également constituer un stimulant à long terme pour l’entreprise.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Un autre leader de la spintronique, NVE travaille sur cette technologie depuis son premier brevet en technologie MRAM en 1995. Elle produit des capteurs et des isolateurs spintroniques, principalement utilisés dans les systèmes de mesure et de capteurs pour les voitures, les engrenages, les dispositifs médicaux, les alimentations électriques et d’autres appareils industriels.
Source: NVE
Cela place NVE dans une catégorie quelque peu différente de celle d’Everspin, NVE étant davantage une entreprise industrielle avec une forte position sur un marché de niche (magnétomètre utilisant la spintronique), tandis qu’Everspin est davantage une société de mémoire/ informatique en concurrence avec des acteurs tels qu’Intel, Qualcomm, Toshiba et Samsung, qui développent également leurs propres produits MRAM.
Cela peut rendre l’action plus (ou moins) attrayante selon le profil des investisseurs, l’action NVE étant plus susceptible de séduire les investisseurs conservateurs recherchant un rendement de dividende et la sécurité.
Études référencées
1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
