Contrôler l’électronique par photoexcitation : la magnétite ouvrira-t-elle la voie aux appareils de prochaine génération ?

Le potentiel de la spintronique

Les composants électroniques comme les transistors sont souvent fabriqués à partir de silicium et exploitent les propriétés des semi-conducteurs. Les états logiques 0 et 1 peuvent être représentés par différents niveaux électriques. La spintronique utilise aussi le spin des électrons, une propriété quantique fondamentale, pour traiter ou stocker des informations. Elle ne se limite pas nécessairement à des dispositifs dépourvus de courant électrique.

La spintronique présente plusieurs avantages potentiels par rapport à certaines technologies électroniques classiques, notamment :

• Des opérations rapides, selon le mécanisme utilisé pour modifier ou détecter le spin.
• Une consommation potentiellement réduite pour certaines fonctions, notamment lorsque les données sont conservées sans alimentation permanente.
• La possibilité d’exploiter différents matériaux magnétiques, en complément ou à la place de certains composants classiques.

La spintronique intervient notamment dans les têtes de lecture des disques durs, dont elle a contribué à accroître les capacités de stockage.

La magnétite est l’un des matériaux étudiés pour des applications spintroniques. Ce minéral naturel, de formule Fe₃O₄, contient de l’oxygène et du fer dans deux états d’oxydation.

Source: Britannica

Malgré une longue histoire d’étude de ses propriétés magnétiques, la magnétite présente encore des comportements à explorer.

Des chercheurs de l’EPFL, en Suisse, ont montré que des impulsions laser peuvent conduire la magnétite vers des états hors équilibre jusque-là difficiles à observer. Ces travaux pourraient ouvrir de nouvelles pistes pour les matériaux électroniques.

Les propriétés cachées de la magnétite

Les chercheurs s’intéressent à la transition métal-isolant de la magnétite, dite transition de Verwey, qui intervient vers 125 K. Elle modifie ses propriétés électroniques et sa structure. Une transition de phase est un changement d’état ou d’organisation du matériau sous l’effet de conditions extérieures, comme la température ou une excitation lumineuse.

Les expériences ont utilisé deux longueurs d’onde : 800 nm dans le proche infrarouge et 400 nm dans le visible. Elles ont permis d’induire différents états métastables hors équilibre, appelés « phases cachées ».

Pour suivre ces transformations très rapides, les chercheurs ont utilisé la diffraction électronique ultrarapide (UED). Cette technique permet d’étudier la dynamique atomique à des échelles inférieures à la picoseconde, soit un millième de milliardième de seconde.

Modification de la configuration spatiale

À basse température, la magnétite présente une structure monoclinique. Dans ce type de réseau cristallin, la maille élémentaire comporte des arêtes de longueurs différentes et deux angles droits, tandis que le troisième angle n’est pas droit. La structure de la magnétite dépend donc de sa phase et de la température.

Source: ACS

Les impulsions à 800 nm perturbent l’organisation électronique et structurale de la magnétite. Les chercheurs observent une séparation entre des régions métalliques cubiques et des régions isolantes monocliniques, plutôt qu’une conversion uniforme de tout le matériau en une seule structure cubique.

À 400 nm, l’excitation provoque au contraire une dilatation du réseau et renforce l’ordre de la phase isolante monoclinique dans les conditions étudiées.

Ces états induits par la lumière diffèrent des états d’équilibre ordinaires et éclairent les mécanismes de la transition métal-isolant. Leur stabilité doit être comprise à l’échelle temporelle et dans les conditions de l’expérience.

Nouveaux systèmes électroniques

Les résultats montrent qu’il est possible de modifier les propriétés électroniques de la magnétite en choisissant la longueur d’onde des impulsions lumineuses.

Des lasers ultrarapides offrent ainsi une voie pour piloter certaines transformations du matériau. Le passage à des composants pratiques nécessite encore des recherches sur la commande, la répétabilité et l’intégration.

« Notre étude ouvre la voie à une nouvelle approche pour contrôler la matière à des échelles de temps ultrarapides au moyen d’impulsions lumineuses adaptées.

La possibilité d’induire et de contrôler des phases cachées dans la magnétite pourrait avoir des conséquences importantes pour le développement de matériaux et de dispositifs avancés.

Par exemple, des matériaux capables de passer rapidement et efficacement d’un état électronique à un autre pourraient être utilisés dans les futures générations de systèmes de calcul et de mémoire. »

Mémoire améliorée

La spintronique ouvre plusieurs voies pour les fabricants de systèmes électroniques, au-delà de son utilisation dans les disques durs. Les recherches sur la magnétite constituent l’une de ces pistes, distincte des mémoires magnétiques déjà commercialisées.

Les mémoires magnétiques MRAM peuvent compléter ou remplacer certaines mémoires classiques dans des applications adaptées. Everspin commercialise des produits MRAM qui ont notamment été utilisés par Airbus. Leur intérêt tient à la conservation des données sans alimentation et à certaines caractéristiques de robustesse, selon le produit et sa qualification. Cela ne signifie pas qu’elles remplacent toutes les DRAM.

La consommation, la densité et la vitesse des MRAM dépendent de la technologie et de l’application. Les économies d’énergie annoncées, parfois jusqu’à 80% dans certaines comparaisons, ne constituent pas une valeur générale. L’intégration de MRAM dans des caches de processeurs est une piste de développement qui doit tenir compte des contraintes de performance, de surface et de chaleur.

Photonique ?

Le contrôle de la magnétite par laser rappelle les recherches en photonique, évoquées dans notre article sur les entreprises qui explorent d’autres approches du calcul. La photonique utilise la lumière pour certaines fonctions de traitement ou de transmission de l’information.

Un système de calcul optique pourrait, en théorie, bénéficier d’un matériau de mémoire commandé par la lumière. Cela pourrait limiter certaines conversions intermédiaires. Les expériences sur la magnétite ne démontrent toutefois pas encore une telle mémoire intégrée ni ses performances énergétiques.

Entreprises de spintronique

1. Everspin Technologies

Everspin est issue de l’activité MRAM de Freescale, devenue une filiale de NXP Semiconductors (NXPI). La séparation a eu lieu en 2008 et l’introduction en Bourse d’Everspin en 2016.

Everspin est un spécialiste des mémoires MRAM et s’appuie sur les travaux antérieurs de Freescale, qui avait commercialisé une puce MRAM en 2006.

Les MRAM conservent les données même sans alimentation électrique. Cette propriété les rend intéressantes pour des applications où la persistance de certaines informations est essentielle.

Porté par des applications telles que l’analyse de données, le cloud, les systèmes spatiaux, l’intelligence artificielle et le traitement en périphérie, notamment dans l’Internet industriel des objets, le marché de la mémoire persistante pourrait croître à un taux annuel composé de 27,5% entre 2020 et 2030, selon la projection citée par l’entreprise.

Everspin

Source: Everspin

La présentation citée par l’article prévoit un marché de 7,4 milliards de dollars en 2027. Elle décrit également une entreprise sans dette financière et ayant dégagé un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021. Ces indications correspondent à la période de la présentation et ne constituent pas des prévisions garanties.

Les produits MRAM d’Everspin occupent un créneau spécialisé, notamment dans l’aéronautique, les satellites, les enregistreurs de données et certains dispositifs de suivi médical. Les exigences de fiabilité varient selon l’application.

Source: Everspin

La croissance des besoins en calcul, en intelligence artificielle et en systèmes neuromorphiques pourrait aussi créer des possibilités à long terme, sous réserve de l’adoption des produits et de la concurrence.

2. NVE Corporation

NVE travaille également sur la spintronique. L’article situe son premier brevet lié aux mémoires MRAM en 1995.

L’entreprise fabrique des capteurs spintroniques et des isolateurs. Ils servent notamment à la mesure et à la détection dans les équipements automobiles, les mécanismes, les dispositifs médicaux, les alimentations électriques et d’autres systèmes industriels.

Source: NVE

NVE et Everspin occupent donc des positions différentes. NVE fournit surtout des composants industriels spécialisés, tandis qu’Everspin se concentre sur la mémoire. Le secteur des MRAM comprend aussi des acteurs tels qu’Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba et Samsung, avec des relations de concurrence ou de coopération qui dépendent des produits.

Ces différences peuvent intéresser des profils d’investisseurs distincts. La présence d’un dividende ou d’un marché spécialisé ne suffit cependant pas à rendre une action sûre : il faut aussi examiner les résultats, la valorisation, la concurrence et les risques propres à l’entreprise.