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Un changeur de jeu possible pour la microélectronique de prochaine génération

De minuscules tourbillons magnétiques pourraient transformer le stockage de la mémoire en ordinateurs hautes performances.

Les aimants génèrent des champs invisibles qui attirent certains matériaux. Un exemple courant est celui des aimants de réfrigérateur. Bien in addition importants pour notre vie quotidienne, les aimants peuvent également stocker des données dans les ordinateurs. En exploitant la way du champ magnétique (par exemple, vers le haut ou vers le bas), les barreaux magnétiques microscopiques peuvent chacun stocker un little bit de mémoire sous forme de zéro ou de un – le langage des ordinateurs.

Les scientifiques du laboratoire nationwide d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) veulent remplacer les barreaux aimantés par de minuscules tourbillons magnétiques. Aussi minuscules que des milliardièmes de mètre, ces tourbillons sont appelés skyrmions, qui se forment dans certains matériaux magnétiques. Ils pourraient un jour inaugurer une nouvelle génération de microélectronique pour le stockage de la mémoire dans les ordinateurs à hautes performances.

“Les barreaux aimantés dans la mémoire d’un ordinateur sont comme des lacets attachés avec un seul nœud  il ne faut presque pas d’énergie pour les défaire”, a déclaré Arthur McCray, un étudiant diplômé de la Northwestern University travaillant dans la division des sciences des matériaux (MSD) d’Argonne. Et tout aimant en barre qui fonctionne mal en raison d’une perturbation affectera les autres.

“En revanche, les skyrmions sont comme des lacets attachés avec un double nœud. Peu importe la pressure avec laquelle vous tirez sur un brin, les lacets restent attachés.” Les skyrmions sont donc extrêmement stables à toute perturbation. Une autre caractéristique importante est que les scientifiques peuvent contrôler leur comportement en modifiant la température ou en appliquant un courant électrique.

Les scientifiques ont beaucoup à apprendre sur le comportement des skyrmions dans différentes ailments. Pour les étudier, l’équipe dirigée par Argonne a développé un programme d’intelligence artificielle (IA) qui fonctionne avec un microscope électronique à haute puissance au Middle for Nanoscale Supplies (CNM), une installation utilisateur du DOE Place of work of Science à Argonne. Le microscope peut visualiser les skyrmions dans des échantillons à très basse température.

Le matériau magnétique de l’équipe est un mélange de fer, de germanium et de tellure. Dans sa construction, ce matériau ressemble à une pile de papier avec de nombreuses feuilles. Une pile de ces feuilles contient de nombreux skyrmions, et une seule feuille peut être pelée par le haut et analysée dans des installations comme le CNM.

“Le microscope électronique CNM couplé à une forme d’intelligence artificielle appelée apprentissage automatique nous a permis de visualiser les feuilles de skyrmion et leur comportement à différentes températures”, a déclaré Yue Li, une personne postdoctorale nommée au MSD.

“Notre découverte la in addition intrigante est que les skyrmions sont disposés selon un schéma très ordonné à moins 60 degrés Fahrenheit et au-dessus”, a déclaré Charudatta Phatak, scientifique des matériaux et chef de groupe chez MSD. “Mais au fur et à mesure que nous refroidissons l’échantillon, l’arrangement des skyrmions modify.” Comme des bulles dans de la mousse de bière, certains skyrmions sont devenus plus gros, d’autres moreover petits, certains fusionnent et d’autres disparaissent.

À moins 270, la couche a atteint un état de désordre presque complet, mais l’ordre est revenu lorsque la température est profits à moins 60. Cette changeover ordre-désordre avec changement de température pourrait être exploitée dans la microélectronique long term pour le stockage de la mémoire.

“Nous estimons que l’efficacité énergétique du skyrmion pourrait être 100 à 1000 fois supérieure à la mémoire actuelle des ordinateurs hautes performances utilisés dans la recherche”, a déclaré McCray.

L’efficacité énergétique est essentielle pour la prochaine génération de microélectronique. La microélectronique d’aujourd’hui représente déjà approximativement 10 % de l’électricité mondiale. Et ce nombre pourrait doubler d’ici 2030. Des appareils électroniques furthermore économes en énergie doivent être trouvés.

“Nous avons encore du chemin à parcourir avant que les skyrmions ne se retrouvent dans une future mémoire d’ordinateur à faible consommation”, a déclaré Phatak. “Néanmoins, ce genre de nouvelle façon radicale de penser à la microélectronique est la clé des appareils de prochaine génération.”

Cette recherche a été soutenue par le DOE Office environment of Essential Energy Sciences. Le programme d’apprentissage automatique de l’équipe a été exécuté sur des ressources de supercalcul à l’Argonne Management Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Business of Science.

Cette recherche est parue dans Nano Letters. En plus de Phatak, Li et McCray, les auteurs d’Argonne incluent Amanda K. Petford-Lengthy, Daniel P. Phelan et Xuedan Ma. Parmi les autres auteurs figurent Rabindra Basnet, Krishna Pandey et Jin Hu de l’Université de l’Arkansas.