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Sciences physiques et nanotechnologies
Les propriétés magnétiques et électriques des matériaux conditionnent la course aux mémoires hautes-densités

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64596.htm

La mémoire des ordinateurs n'est jamais assez grande et la lecture et l'écriture sur les disques est toujours trop lente. Pour innover, les chercheurs doivent étudier les propriétés électriques et magnétiques de nouveaux matériaux dans l'espoir de trouver ceux qui pourront facilement êtres miniaturisés et intégrés dans des circuits. Ils recherchent de nouveaux effets qui permettraient de manipuler rapidement les propriétés de ces matériaux à l'aide de champs magnétiques ou électriques, autorisant une écriture et une lecture rapide sur les disques.

Des chercheurs de l'Ohio State University ont construit un instrument qui permet d'aller étudier le champ magnétique dans un matériau ferroélectrique de dimension nanométrique. Ce travail ouvre la voie à la compréhension des effets électromagnétiques à cette échelle dans le but d'intégrer ces matériaux dans les mémoires et les microprocesseurs. A la Rutgers University, une équipe de recherche à mis en évidence un effet magnétoélectrique au sein d'un nouveau matériau. Un champ électrique appliqué sur la structure permet d'en modifier les propriétés magnétiques.

Observer le champ magnétique à une échelle nanométrique

Pour pouvoir manipuler les propriétés électromagnétiques de matériaux à une échelle nanométrique, encore faut-il disposer d'instruments de mesure qui permettent de visualiser les effets à cette échelle. Les travaux de l'équipe de Chris Hammel viennent de déboucher sur une image haute-résolution des propriétés magnétiques d'un matériau ferromagnétique de 2 micromètres de large et de 40 nanomètres d'épaisseur [1].

Pour cela les chercheurs ont du mettre au point un instrument utilisant la résonance magnétique nucléaire, la résonnance ferromagnétique et la microscopie à force atomique. En jouant avec les différentes excitations et en utilisant une pointe d'AFM équipée d'une sonde magnétique, les chercheurs sont parvenus à dresser une cartographie du champ magnétique avec une résolution jamais atteinte. Cette technique a été baptisée "Scanned Probe Ferromagnetic Resonance Imaging".

Les matériaux ferromagnétiques sont déjà largement utilisés pour la fabrication des mémoires magnétiques et dans les composants des ordinateurs. Cette nouvelle technique d'imagerie permettra de poursuivre les efforts dans la miniaturisation et l'intégration des matériaux magnétiques au sein des composants.

L'obtention d'un effet magnétoélectrique

La découverte de la magnétorésistance géante (GMR) en 1988, qui a valu son Prix Nobel au français Albert Fert en 2007, a entrainé le développement de nouvelles mémoires, les Magnetoresistive Random Acces Memory (MRAM). Les données sur cette mémoire sont non-volatiles puisque codées magnétiquement. Leur utilisation requiert bien moins d'énergie que les mémoires basées sur le stockage électrique des données et les MRAM sont en théorie inusables.

La GMR est un processus dans lequel l'application d'un champ magnétique vient modifier les propriétés de résistance électrique d'une structure comprenant des matériaux ferromagnétiques. Des chercheurs de la Rutgers University ont observé l'effet complémentaire, à savoir le contrôle des propriétés magnétiques par application d'un champ électrique, sur un matériau à base d'oxyde de manganèse contenant de l'ytterbium et de l'europium [2]. L'observation de cet effet, prévu théoriquement, a surpris car le couplage entre magnétisme et champ électrique est beaucoup plus faible que le couplage entre ferroélectricité et champ magnétique. Même si la compréhension du phénomène reste à approfondir, le nouveau matériau va permettre de déterminer les conditions nécessaires pour réaliser ce couplage.

L'utilisation du champ électrique pour lire et écrire des données dans un disque, à la place de celle d'un champ magnétique dans le cas des MRAM, permettrait d'augmenter la densité de stockage des mémoires. Elle accélèrerait l'exécution des opérations tout en conservant l'avantage des mémoires MRAM, notamment de non-volatilité. Cependant, les températures nécessaires à l'observation du phénomène actuellement - proches du zéro absolu - compromettent son utilisation industrielle.

Le passage de la découverte de la GMR en 1988 à la généralisation des mémoires MRAM en 2010 n'a pu être possible que par la découverte de matériaux présentant les mêmes effets de manière plus marquée. De la même manière, cette nouvelle découverte ouvre la voie à la recherche de matériaux qui pourraient présenter les mêmes caractéristiques magnétoélectriques dans des conditions moins extrêmes.

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- [1] Y. J. Choi, C. L. Zhang, N. Lee, and S-W. Cheong, Phys. Rev. Lett. 105, 097201, 23/08/2010 - http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.105.097201.pdf
- [2] I. Lee et al., Nature 466, 845-848,doi:10.1038/nature09279, 12/08/2010 - http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7308/full/nature09279.html

Code brève
ADIT : 64596

- Towards colossal magnetoelectricity?, Physics 3 (72), D. Argyriou, 23/08/2010 - http://physics.aps.org/viewpoint-for/10.1103/PhysRevLett.105.097201
- Scientists achieve highest resolution MRI of a magnet, OSU News Research, P. Gorder, 11/08/2010 - http://researchnews.osu.edu/archive/hiresmag.htm

Vincent Reillon, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org

BE Etats-Unis numéro 220 (24/09/2010) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64596.htm