Lorsque vous enregistrez une impression sur votre smartphone, ces données sont écrites sur de minuscules transistors qui sont allumés ou éteints électriquement dans un modèle de « bits » pour représenter et encoder cette image. La plupart des transistors actuels sont fabriqués à partir de silicium, un élément que les scientifiques ont réussi à basculer à des échelles de plus en in addition petites, permettant de regrouper des milliards de bits, et donc de grandes bibliothèques d’images et d’autres fichiers, sur une seule puce mémoire.



Mais la demande croissante de données et les moyens de les stocker poussent les scientifiques à rechercher au-delà du silicium des matériaux capables de pousser les dispositifs de mémoire vers des densités, des vitesses et une sécurité additionally élevées.

Maintenant, les physiciens du MIT ont montré des preuves préliminaires que les données pourraient être stockées sous forme de bits in addition rapides, furthermore denses et plus sécurisés fabriqués à partir d’antiferromagnétiques.



Les matériaux antiferromagnétiques ou AFM sont les cousins ​​les moins connus des ferromagnétiques ou des matériaux magnétiques conventionnels. Là où les électrons dans les ferromagnétiques tournent en synchronie – une propriété qui permet à une aiguille de boussole de pointer vers le nord, suivant collectivement le champ magnétique terrestre – les électrons dans un antiferromagnet préfèrent le spin opposé à leur voisin, dans un « anti-alignement » qui éteint efficacement la magnétisation même aux additionally petites échelles.

Les résultats pourraient conduire à un stockage mémoire in addition rapide et additionally sécurisé, sous la forme de bits antiferromagnétiques

L’absence d’aimantation nette dans un antiferromagnet le rend imperméable à tout champ magnétique externe. S’ils étaient transformés en dispositifs de mémoire, les bits antiferromagnétiques pourraient protéger toutes les données codées contre l’effacement magnétique. Ils pourraient également être transformés en transistors plus petits et emballés en as well as grand nombre par puce que le silicium traditionnel.

Maintenant, l’équipe du MIT a découvert qu’en dopant des électrons supplémentaires dans un matériau antiferromagnétique, ils peuvent activer et désactiver son arrangement anti-aligné collectif, de manière contrôlable. Ils ont trouvé que cette transition magnétique est réversible et suffisamment nette, similaire à la commutation de l’état d’un transistor de à 1. Les résultats, publiés aujourd’hui dans Actual physical Critique Letters, démontrent une nouvelle voie potentielle pour utiliser les antiferromagnétiques comme interrupteur numérique.

« Une mémoire AFM pourrait permettre d’augmenter la capacité de stockage de données des appareils actuels – même quantity, mais additionally de données », explique l’auteur principal de l’étude Riccardo Comin, professeur adjoint de physique au MIT.

Les co-auteurs du MIT de Comin comprennent l’auteur principal et étudiant diplômé Jiarui Li, ainsi que Zhihai Zhu, Grace Zhang et Da Zhou ainsi que Roberg Environmentally friendly de l’Université de la Saskatchewan Zhen Zhang, Yifei Solar et Shriram Ramanathan de l’Université Purdue Ronny Sutarto et Feizhou He de Canadian Light-weight Source et Jerzy Sadowski du Brookhaven Nationwide Laboratory.

Mémoire magnétique

Pour améliorer le stockage des données, certains chercheurs se tournent vers la MRAM, ou RAM magnétorésistive, un kind de système de mémoire qui stocke les données sous forme de bits fabriqués à partir de matériaux magnétiques conventionnels. En principe, un dispositif MRAM serait structuré avec des milliards de bits magnétiques. Pour coder des données, la course d’un domaine magnétique local à l’intérieur du dispositif est inversée, de la même manière que la commutation d’un transistor de à 1.

Les systèmes MRAM pourraient potentiellement lire et écrire des données in addition rapidement que les appareils à base de silicium et pourraient fonctionner avec moins d’énergie. Mais ils pourraient également être vulnérables aux champs magnétiques externes.

« Le système dans son ensemble suit un champ magnétique comme un tournesol match le soleil, c’est pourquoi, si vous prenez un dispositif de stockage de données magnétique et le placez dans un champ magnétique modéré, les informations sont complètement effacées », explique Comin.

Les antiferromagnétiques, en revanche, ne sont pas affectés par les champs externes et pourraient donc être une different furthermore sûre aux conceptions MRAM. Une étape essentielle vers les bits AFM encodables est la possibilité d’activer et de désactiver l’antiferromagnétisme. Les chercheurs ont trouvé diverses façons d’y parvenir, principalement en utilisant le courant électrique pour faire passer un matériau de son anti-alignement ordonné à un désordre aléatoire de spins.

« Mais l’inconvénient est que chaque fois que vous avez besoin d’un courant pour lire ou écrire, cela nécessite beaucoup d’énergie par opération. Lorsque les choses deviennent très petites, l’énergie et la chaleur générées par les courants courants sont importantes. »

Hassle dopé

Comin et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient réaliser une commutation antiferromagnétique d’une manière plus efficace. Dans leur nouvelle étude, ils travaillent avec du nickelate de néodyme, un oxyde antiferromagnétique cultivé dans le laboratoire de Ramanathan. Ce matériau présente des nanodomaines constitués d’atomes de nickel avec un spin opposé à celui de son voisin, et maintenus ensemble par des atomes d’oxygène et de néodyme. Les chercheurs avaient précédemment cartographié les propriétés fractales du matériau.

Depuis lors, les chercheurs ont cherché à voir s’ils pouvaient manipuler l’antiferromagnétisme du matériau via le dopage – un processus qui introduit intentionnellement des impuretés dans un matériau pour modifier ses propriétés électroniques. Dans leur cas, les chercheurs ont dopé l’oxyde de néodyme et de nickel en dépouillant la matière de ses atomes d’oxygène.

Lorsqu’un atome d’oxygène est éliminé, il laisse derrière lui deux électrons, qui sont redistribués entre les autres atomes de nickel et d’oxygène. Les chercheurs se sont demandé si l’élimination de nombreux atomes d’oxygène entraînerait un effet domino de désordre qui désactiverait l’anti-alignement ordonné du matériau.

Pour tester leur théorie, ils ont fait pousser des films minces de 100 nanomètres d’oxyde de nickel au néodyme et les ont placés dans une chambre privée d’oxygène, puis ont chauffé les échantillons à des températures de 400 degrés Celsius pour encourager l’oxygène à s’échapper des movies et dans l’atmosphère de la chambre..

Au fur et à mesure qu’ils retiraient de in addition en as well as d’oxygène, ils ont étudié les films en utilisant des tactics avancées de cristallographie magnétique aux rayons X pour déterminer si la construction magnétique du matériau était intacte, ce qui implique que ses spins atomiques sont restés dans leur anti-alignement ordonné et ont donc conservé l’antiféromagnétisme. Si leurs données montraient une absence de framework magnétique ordonnée, ce serait la preuve que l’antiferromagnétisme du matériau s’était éteint, en raison d’un dopage suffisant.

Grâce à leurs expériences, les chercheurs ont pu désactiver l’antiferromagnétisme du matériau à un certain seuil de dopage critique. Ils pourraient également restaurer l’antiferromagnétisme en réintroduisant de l’oxygène dans le matériau.

Maintenant que l’équipe a montré que le dopage active et désactive efficacement l’AFM, les scientifiques pourraient utiliser des moyens moreover pratiques pour doper des matériaux similaires. Par exemple, les transistors à foundation de silicium sont commutés à l’aide de « grilles » activées par pressure, où une petite pressure est appliquée à un bit pour modifier sa conductivité électrique. Comin dit que les bits antiferromagnétiques pourraient également être commutés en utilisant des portes de rigidity appropriées, ce qui nécessiterait moins d’énergie que d’autres procedures de commutation antiferromagnétique.

« Cela pourrait présenter une opportunité de développer un périphérique de stockage à mémoire magnétique qui fonctionne de manière similaire aux puces à foundation de silicium, avec l’avantage supplémentaire de pouvoir stocker des informations dans des domaines AFM qui sont très robustes et peuvent être emballés à des densités élevées », déclare Comin. « C’est la clé pour relever les défis d’un monde axé sur les données. »