Informatique
Le laser révèle le magnétisme caché dans les métaux du quotidien
Le monde de la technologie progresse rapidement, les chercheurs font des découvertes chaque jour. La semaine dernière, des scientifiques ont publié leurs travaux, qui ont résolu un vieux mystère de la physique.
Menée par des chercheurs de l’Université hébraïque en collaboration avec l’Université d’État de Pennsylvanie et l’Université de Manchester, l’étude a détecté de subtils signaux magnétiques dans des métaux qui ne sont pas normalement magnétiques, en n’utilisant que la lumière et une méthode laser modifiée.
Ces faibles effets magnétiques, qui ressemblent davantage à des « chuchotements », dans les matériaux non magnétiques étaient auparavant indétectables pour des raisons évidentes ; ils étaient simplement trop petits. Mais maintenant, cela a changé. Ces effets sont mesurables, révélant de nouveaux schémas de comportement des électrons qui étaient cachés jusqu’à cette étude.
Avec cette découverte, les scientifiques ont complètement transformé la façon dont nous étudions le magnétisme dans les matériaux du quotidien, sans fils ni instruments encombrants. Cela pourrait même ouvrir des voies vers le stockage de mémoire, l’informatique quantique, et des électroniques plus petites, plus rapides et plus avancées.
Dévoiler la réponse magnétique subtile dans les métaux « silencieux »
Publiée dans le journal Nature Communications, l’étude détaille une nouvelle façon d’identifier de minuscules signaux magnétiques dans des métaux tels que l’or (Au), le cuivre (Cu), l’aluminium (Al), le tantale (Ta) et le platine (Pt).
Le fait est que nous savons depuis longtemps que les courants électriques se dévient dans un champ magnétique, ce qui constitue l’effet Hall. Cet effet est particulièrement fort et bien connu dans les matériaux magnétiques comme le fer, mais lorsqu’il s’agit de métaux courants non magnétiques comme l’or, l’effet est plutôt faible.
L’effet Hall optique (OHE), un phénomène connexe, devrait aider à visualiser le comportement des électrons lorsque la lumière et les champs magnétiques interagissent.
Mais cela reste théorique, car à des longueurs d’onde visibles, l’effet OHE est bien trop subtil pour que les scientifiques le détectent. Ainsi, bien que nous sachions que l’effet existe, nous manquons d’outils pour le mesurer réellement.
« C’était comme essayer d’entendre un chuchotement dans une pièce bruyante pendant des décennies. Tout le monde savait que le chuchotement était là, mais nous n’avions pas de microphone assez sensible pour l’entendre. »
– Professeur Amir Capua de l’Institut d’ingénierie électrique et de physique appliquée de l’Université hébraïque
Comme l’explique le Prof. Capua, ces métaux, comme le cuivre et l’or, sont considérés comme « magnétiquement silencieux ». Par exemple, ces matériaux, l’or et le cuivre, ne collent pas au réfrigérateur comme le fer le fait. « Mais en réalité, sous les bonnes conditions, ils réagissent aux champs magnétiques — simplement de manière extrêmement subtile », a-t-il ajouté. Et cela a toujours été un défi d’observer ces effets faibles.
Ainsi, en collaboration avec d’autres universités, les chercheurs ont poursuivi leurs investigations pour savoir comment détecter ces très petits effets magnétiques dans des matériaux qui ne sont pas magnétiques.
Pour cela, ils se sont tournés vers une technique appelée effet Kerr magnétoptique (MOKE) et l’ont améliorée. Dans la méthode MOKE, un laser est utilisé pour mesurer comment le magnétisme affecte la direction de la lumière.
L’étude note que, parce que l’effet Hall anomal (AHE) observé dans les ferromagnétiques (matériaux comme le fer, le nickel ou le cobalt avec un alignement à longue portée et parallèle des moments atomiques entraînant une magnétisation nette spontanée) est beaucoup plus fort que l’effet Hall ordinaire (OHE), l’effet Hall optique est beaucoup plus faible que l’effet Kerr magnétoptique (MOKE). Il est si faible qu’il est à peine détectable dans la lumière visible.
D’où la raison de modifier la technique MOKE. Les chercheurs ont présenté la technique MOKE, qui repose sur la modulation de grande amplitude du champ magnétique appliqué extérieurement. Pour cela, ils ont utilisé des aimants permanents placés sur un disque rotatif.
Les chercheurs ont combiné cela avec un laser bleu de 440 nm, ce qui leur a permis d’augmenter considérablement la sensibilité de la technique. En conséquence, ils ont pu détecter les « échos » magnétiques dans les métaux non magnétiques, ce qui était auparavant presque impossible à réaliser. L’étude a noté:
« La sensibilité supérieure de la technique ouvre la voie à la découverte de nouveaux phénomènes et applications, comme une détermination optique de l’interaction spin-orbite. »
L’écho optique révèle les signaux magnétiques cachés dans les métaux
Les mesures Hall sont une technique clé dans la recherche sur les matériaux et la physique de l’état solide. L’effet Hall nous permet d’étudier les matériaux à l’échelle atomique et de déterminer combien d’électrons se trouvent dans un métal. Il est crucial pour combler le fossé entre la recherche fondamentale et les applications pratiques.
Cependant, mesurer cet effet est traditionnellement un processus difficile et chronophage, surtout lorsqu’on travaille avec des composants très petits, à l’échelle nanométrique. Pour cela, les scientifiques devaient d’abord fixer des fils à l’appareil, mais ce n’est plus le cas.
La nouvelle approche est très simple ; elle ne nécessite qu’un laser à projeter sur le dispositif électrique.
Comme l’a noté le Prof. Capua, même Edwin Hall, qui a découvert l’effet Hall, n’a pas réussi lorsqu’il a tenté de mesurer l’effet à l’aide d’un faisceau de lumière. Hall a résumé dans la phrase de clôture de son article en 1881 :
« Je pense que, si l’action de l’argent avait été un dixième de celle du fer, l’effet aurait été détecté. Aucun tel effet n’a été observé. »
Mais dans les dernières recherches, les scientifiques ont en fait observé l’effet « en réglant la bonne fréquence — et en sachant où regarder », a déclaré le Prof. Capua.
Avec cela, l’équipe a « trouvé un moyen de mesurer ce qui était autrefois considéré comme invisible », a ajouté le Prof. Capua, « Cette recherche transforme un problème scientifique vieux de près de 150 ans en une nouvelle opportunité. »
En creusant encore plus profondément, l’équipe a découvert que ce qui semblait être un « bruit » aléatoire dans leur signal n’était pas si aléatoire après tout, mais présentait une signification et un motif clairs.
Le motif suivi était lié au couplage spin-orbite (SOC). Cette propriété quantique relie la façon dont les électrons se déplacent à la façon dont ils tournent, ce qui affecte la manière dont l’énergie magnétique se dissipe dans les matériaux.
Les nouvelles connaissances acquises ont des implications directes et significatives pour la conception de dispositifs spintroniques, de mémoires magnétiques et de systèmes quantiques.
« C’est comme découvrir que le bruit statique d’une radio n’est pas seulement une interférence — c’est quelqu’un qui chuchote des informations précieuses. Nous utilisons maintenant la lumière pour « écouter » ces messages cachés des électrons. »
– Candidat au doctorat Nadav Am Shalom de l’Université hébraïque
La nouvelle technique offre en réalité un outil non invasif et très sensible pour explorer le magnétisme dans les métaux, sans nécessiter de gros aimants ni de conditions cryogéniques.
La simplicité et la précision de la technique pourraient également aider les ingénieurs à concevoir des systèmes plus économes en énergie, des processeurs plus rapides et des capteurs d’une grande précision.
Mais ce n’est que le début, l’étude évoquant l’élargissement du spectre des matériaux dans les travaux futurs. Cela inclut des métaux supplémentaires, des films multicouches, des semi-conducteurs, ainsi que des matériaux topologiques et 2D.
De plus, une « mesure dépendante de la température est d’un intérêt particulier, car elle pourrait offrir un aperçu clé des mécanismes de bruit et soutenir une compréhension plus profonde de leur origine », a déclaré l’étude.
Étendre l’effet Hall avec de nouvelles possibilités
Au cours de l’année écoulée, les chercheurs ont continué d’explorer les techniques de l’effet Hall, repoussant les limites du possible. En s’appuyant sur les mesures Hall électriques classiques, les scientifiques découvrent de nouveaux régimes, annonçant un changement transformateur.
Cela comprend la découverte d’effets Hall non linéaires (NLHE) significatifs à température ambiante dans le tellure (Te). L’effet est une réponse d’ordre second à un courant alternatif appliqué (AC) qui génère des signaux à seconde harmonique sans nécessiter de champ magnétique externe.
Le NLHE, nouveau membre de la famille des effets Hall, a suscité beaucoup d’attention en raison de son utilisation possible dans les dispositifs de doublement de fréquence et de redressement. Cependant, des défis tels que les basses températures de fonctionnement et les faibles tensions Hall ont limité ses applications pratiques.
Ainsi, une équipe de recherche de l’Université des Sciences et Technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a recherché des systèmes présentant un NLHE remarquable dans les matériaux semi-conducteurs. Ils ont ensuite étudié la réponse non linéaire du tellure, un élément fragile et rare qui possède une chaîne hélicoïdale unidimensionnelle. Sa structure manque intrinsèquement de symétrie d’inversion, ce qui fait du Te le candidat idéal.
Lorsqu’ils ont testé de fines lamelles de tellure (Te), ils ont découvert d’importants effets Hall non linéaires à température ambiante. À une température de 300 K, la sortie maximale à seconde harmonique peut atteindre un ordre de grandeur supérieur aux enregistrements précédents, jusqu’à 2,8 mV.
Après une analyse plus approfondie, le NLHE observé dans les fines lamelles de tellure s’est avéré être principalement le résultat d’une diffusion extrinsèque. Ici, la rupture de la symétrie de surface de la structure a joué un rôle crucial.
Sur cette base, le courant AC a été remplacé par des signaux radiofréquence (RF) qui ont permis une rectification RF sans fil dans les fines lamelles de Te et ont obtenu une tension redressée stable sur une plage de 0,3 à 4,5 GHz. Ainsi, l’étude ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de dispositifs électroniques avancés.
Récemment, des chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud se sont concentrés sur les états volumiques des isolants topologiques, Bi2Se3 et Sb2Te3, et ont découvert que le couple orbital Hall domine le couple spin Hall pour une conversion efficace du courant de charge en courant de spin.
Les états volumiques engendrent un OHE important, jusqu’à trois ordres de grandeur plus grand que le SHE, dans les isolants topologiques, en partie grâce au moment angulaire orbital de chaque électron de conduction qui est plus grand que son spin.
Il a également été noté que l’optimisation de la conversion orbital vers spin dans les dispositifs à couple de spin des TI (isolants topologiques) est essentielle pour un contrôle plus efficace de la magnétisation, mais cela nécessitera des techniques avancées et des ferromagnétiques spécifiques.
Parallèlement, des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg ont démontré une utilisation efficace de la conductivité Hall orbitale améliorée des couches de Cr, Nb et Ru associée à une couche ferromagnétique magnétisée perpendiculairement pour les dispositifs de mémoire à accès aléatoire magnétique à couple de spin-orbite (SOT-MRAM).
Les dispositifs SOT-MRAM promettent de meilleures performances, une non-volatilité et une efficacité énergétique supérieures par rapport à la RAM statique. Pour obtenir une rétention de données longue et un commutateur de magnétisation efficace dans ces dispositifs, nous avons besoin de ferromagnétiques à anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) combinés à des couples importants augmentés par l’effet Hall orbital (OHE).
Ainsi, l’équipe a conçu un FM PMA (Co/Ni)3 sur des couches OHE sélectionnées et a étudié le potentiel de la conductivité Hall orbitale (OHC).
Les résultats montrent une amélioration de 30 % de l’efficacité du couple et une réduction de 60 % de la puissance de commutation, soulignant le « potentiel prometteur d’exploiter l’effet Hall orbital amélioré pour propulser les performances des dispositifs SOT-MRAM de prochaine génération destinés aux applications de mémoire cache à haute densité. »
| Type d’effet Hall | Champ magnétique requis | Force du signal | Matériaux applicables | Cas d’utilisation courants |
|---|---|---|---|---|
| Effet Hall ordinaire | Oui | Faible | Tous conducteurs | Mesures de densité de porteurs de base |
| Effet Hall anormal | Oui | Fort | Ferromagnétiques (Fe, Ni, Co) | Recherche en spintronique |
| Effet Hall optique (OHE) | Oui | Très faible | Tous, mais difficile à détecter en lumière visible | Exploration des interactions spin-orbite |
| Effet Hall non linéaire | Non (alimenté en AC) | Modéré | Semi-conducteurs non centro-symétriques | Redresseurs sans fil, doubleurs de fréquence |
| Effet Hall orbital | Non | Fort dans certains matériaux | Isolants topologiques, métaux de transition | Mémoire à couple de spin, MRAM |
Investir dans la technologie spintronique
Everspin Technologies (MRAM ) utilise activement le spin des électrons plutôt que la charge pour stocker les données. C’est un développeur leader de solutions de mémoire vive à accès aléatoire magnétorésistive (MRAM), un type de RAM non volatile qui stocke les données dans des domaines magnétiques.
Le MRAM utilise le magnétisme du spin d’un électron pour fournir la non-volatilité et stocke l’information dans un matériau magnétique intégré à la technologie siliconée afin d’offrir la non-volatilité du Flash et la vitesse de la SRAM dans un seul dispositif.
Ses produits technologiques MRAM comprennent le Toggle MRAM, qui offre une mémoire simple et à haute densité avec Everspin utilisant un design de cellule Toggle breveté pour offrir une grande fiabilité. Son autre produit est le Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM), qui utilise la manipulation du spin des électrons avec un courant de polarisation pour établir l’état magnétique souhaité du MTJ.
Everspin Technologies (MRAM )
Avec une capitalisation boursière de 150 millions de dollars, les actions MRAM se négocient actuellement à 6,68 $, en hausse de 4,54 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -0,01, et le PER (TTM) est de -451,35.
Pour le premier trimestre se terminant le 31 mars 2025, la société a déclaré un chiffre d’affaires total de 13,1 millions de dollars. Ses ventes de produits MRAM, incluant à la fois le Toggle et le STT-MRAM, s’élevaient quant à elles à 11 millions de dollars. Les revenus provenant des licences, redevances, brevets et autres s’élevaient à 2,1 millions de dollars.
(MRAM )
Durant cette période, la marge brute était de 51,4 %, les dépenses opérationnelles GAAP étaient de 8,7 millions de dollars, la perte nette GAAP était de 1,2 million de dollars ou (0,05 $) par action diluée, et le revenu net non GAAP était de 0,4 million de dollars ou 0,02 $ par action diluée.
Les liquidités et équivalents de liquidités à la fin du trimestre ont augmenté à 42,2 millions de dollars.
Cette année, Everspin a également obtenu un contrat de l’Université Purdue pour utiliser son MRAM comme base dans un programme appelé CHEETA (Matériel CMOS+MRAM pour l’IA à haute efficacité énergétique). Son MRAM PERSYST, quant à lui, a été validé pour la configuration sur tous les FPGA de Lattice Semiconductor.
Plus tôt cette année, la société a annoncé deux nouveaux produits dans le cadre de sa famille Orion xSPI, offrant une plage de température automobile pour les exigences de mémoire persistante et à haute vitesse dans des environnements extrêmes.
« Nous nous attendons à ce que nos clients existants et nouveaux déploient les produits MRAM robustes d’Everspin et la technologie dans de telles applications critiques grâce à des victoires de conception et à des programmes Stratégiques de résistance aux radiations pour les applications mémoire et FPGA. »
– Aggarwal
Dernières actualités et développements des actions Everspin Technologies (MRAM)
Conclusion
Avec chaque nouvelle étude, les chercheurs découvrent ce que les scientifiques ne pouvaient pas voir depuis des années. La dernière le fait exactement en transformant les faibles signaux optiques en une présence magnétique claire, créant une nouvelle façon de sonder le spin des électrons de manière non invasive. De plus, ils ont révélé que ce qui semblait autrefois être du bruit encode en réalité des informations riches en spin-orbite et que cela peut potentiellement transformer la conception spintronique, la mémoire magnétique et les technologies quantiques, conduisant à des dispositifs plus économes en énergie et à une capacité de stockage de données accrue.
Références :
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2. Cheng, B.; Gao, Y.; Zheng, Z.; Wang, K.; Liu, X.; Li, Z.; Wang, G.; Liu, Y.; Huang, J.; Lai, J.; Xu, C.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Wang, J.; Lin, X.; Xu, X.; Lu, H.; Xu, Y. Effet Hall non linéaire géant et effets de rectification sans fil à température ambiante dans le semi-conducteur élémentaire tellure. Nature Communications, 15, 5513 (2024). Publié en ligne le 29 juin 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. Effet Hall orbital géant dû aux états volumiques des isolants topologiques 3D. npj Spintronics, 3, 22 (2025). Publié en ligne le 3 juin 2025. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sinn, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Kläui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. Exploiter l’effet Hall orbital dans le MRAM à couple de spin-orbite. Nature Communications, 16, 130 (2025). Publié en ligne le 2 janvier 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
