Un étrange matériau magnétique pourrait rendre l’informatique économe en énergie

Une collaboration de recherche codirigée par l’EPFL a découvert une propriété magnétique surprenante d’un matériau exotique qui pourrait conduire à des ordinateurs nécessitant moins d’un millionième de l’énergie nécessaire pour commuter un seul bit.

Le monde de la science des matériaux découvre ou fabrique constamment des matériaux aux propriétés exotiques. Parmi eux se trouvent les multiferroïques, une classe unique de matériaux qui peuvent être à la fois magnétisés et polarisés, ce qui signifie qu’ils sont sensibles aux champs magnétiques et électriques.

Le fait de réunir ces deux propriétés dans un seul matériau a rendu les multiferroïques très intéressants à des fins de recherche et commerciales avec des applications potentielles allant de l’électronique avancée au stockage de mémoire de nouvelle génération. En comprenant et en exploitant les propriétés des multiferroïques, les chercheurs visent à développer des technologies plus efficaces, plus compactes et même plus économes en énergie.

Aujourd’hui, une collaboration de recherche internationale a découvert des propriétés fascinantes pour le tellurure de germanium multiferroïque dopé au manganèse (GeTe dopé au Mn) ; la partie « dopée » du nom signifie simplement qu’une petite quantité d’atomes de manganèse (Mn) a été introduite dans la structure cristalline du tellurure de germanium (GeTe) pour modifier ses propriétés. Ces travaux sont prometteurs pour l’avenir de l’informatique économe en énergie, mais offrent également une compréhension plus approfondie des comportements collectifs dans les matériaux multiferroïques.

Le projet a été dirigé par les professeurs Hugo Dil de l’EPFL, Gunther Springholz de l’Université Johannes Kepler de Linz et Jan Minár de l’Université de Bohême occidentale. Les résultats sont publiés dans la revue Communications naturelles.

GeTe dopé au Mn est connu pour ses propriétés ferroélectriques et magnétiques uniques. Mais la nouvelle étude révèle désormais qu’il possède également un ordre magnétique distinct des ferromagnétiques typiques, tels que le fer, qui s’alignent sur un champ magnétique. Au lieu de cela, les scientifiques ont découvert que GeTe dopé au Mn présente les caractéristiques d’un ferrimagnétique.

Qu’est-ce qu’un ferrimagnétique ? Contrairement aux aimants « normaux » comme ceux que nous collons sur nos réfrigérateurs, un ferri-aimant ressemble davantage à deux aimants de forces légèrement différentes superposés l’un sur l’autre. La découverte du comportement de GeTe dopé au Mn signifie que nous disposons désormais de plus de flexibilité pour contrôler la direction de la magnétisation, une caractéristique essentielle pour un certain nombre de technologies.

Cela s’est avéré important, car cela a permis aux scientifiques de développer une méthode permettant d’améliorer l’efficacité du changement de direction de magnétisation de six ordres de grandeur stupéfiants. Au lieu de faire cela de la manière traditionnelle consistant à appliquer une forte impulsion de courant au GeTe dopé au Mn, ils ont plutôt utilisé un petit courant électrique (AC) fluctuant constamment, suivi d’un petit coup de courant au bon moment, un peu comme si on poussait un swing au bon moment pour le faire monter plus haut avec moins d’effort. Les chercheurs ont baptisé ce phénomène « résonance stochastique ».

Ce petit « coup de pouce » a provoqué un changement qui s’est propagé rapidement dans tout GeTe dopé au Mn, comme une ondulation dans un étang. Cela est dû au fait que le matériau se comporte un peu comme un solide et un peu comme un liquide – essentiellement un verre : une modification dans une partie provoque une réaction en chaîne qui modifie les autres parties.

Pour le dire de manière plus technique, l’interrupteur magnétique s’est propagé rapidement à travers le GeTe dopé au Mn par le biais d’excitations collectives, qui sont des mouvements collectifs coordonnés d’un grand nombre de spins électroniques dans le matériau. “Cela est possible parce que le système forme un verre de spin corrélé, dans lequel les moments magnétiques locaux sont dans un état vitreux, semblable aux atomes dans une fenêtre à l’ancienne”, explique Hugo Dil. “Si un spin est forcé de changer d’orientation, cette information se propagera comme une onde à travers l’échantillon et provoquera également le changement des autres moments magnétiques.”

Il ajoute : « Pour les applications technologiques, cette augmentation de l’efficacité de commutation est bien sûr très intéressante. Elle peut éventuellement conduire à des ordinateurs qui auront besoin de moins d’un millionième de l’énergie actuellement requise pour commuter un peu. ce qui m’intrigue, c’est le comportement collectif. Nous planifions actuellement des expériences résolues dans l’espace et dans le temps pour suivre comment ces excitations se propagent et comment nous pouvons les contrôler.