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L'ordinateur

Des cristaux innovants pour l’électronique informatique du futur

De minuscules aimants pourraient détenir le secret des nouveaux ordinateurs quantiques

Bien que les ordinateurs modernes soient déjà très rapides, ils consomment également de grandes quantités d’électricité. Depuis quelques années, on parle beaucoup d’une nouvelle technologie qui, bien qu’encore balbutiante, pourrait un jour révolutionner l’informatique : la spintronique. Le mot est un mot-valise signifiant « spin » et « électronique », car avec ces composants, les électrons ne traversent plus les puces informatiques, mais le spin des électrons sert plutôt de support d’informations. Une équipe de chercheurs de l’Université Goethe de Francfort a maintenant identifié des matériaux qui ont des propriétés étonnamment rapides pour la spintronique. Les résultats ont été publiés dans la revue spécialisée « matériaux de la nature. »

« Vous devez considérer les spins des électrons comme de petites aiguilles magnétiques attachées aux atomes dans un réseau cristallin et communiquant entre elles », explique Cornelius Krellner, professeur de physique expérimentale à l’Université Goethe de Francfort. La façon dont ces aiguilles magnétiques réagissent les unes avec les autres dépend essentiellement des propriétés du matériau. À ce jour, les matériaux ferromagnétiques ont été étudiés principalement en spintronique ; Avec ces matériaux, similaires aux aimants en fer, les aiguilles magnétiques préfèrent pointer dans une direction. Ces dernières années, cependant, une plus grande attention s’est portée sur les soi-disant antiferromagnétiques, car on dit que ces matériaux permettent une commutation encore plus rapide et plus efficace que les autres matériaux spintroniques.

Avec les antiferromagnétiques, les aiguilles magnétiques voisines pointent toujours dans des directions opposées. Si une aiguille atomique magnétique est poussée dans une direction, l’aiguille voisine tourne pour faire face à la direction opposée. Ceci, à son tour, fait que l’avant-dernier voisin pointe à nouveau dans la même direction que la première aiguille. « Comme cette interaction se produit très rapidement et pratiquement sans perte de charge, elle offre un potentiel considérable pour des formes entièrement nouvelles de composants électroniques », explique Krellner.

Surtout, les cristaux avec des atomes du groupe des terres rares sont considérés comme des candidats intéressants pour la spintronique, car ces atomes relativement lourds ont de forts moments magnétiques ; les chimistes appellent les états correspondants des électrons 4F orbitales Parmi les terres rares, dont certaines ne sont ni rares ni chères, figurent des éléments comme le praséodyme et le néodyme, également utilisés dans la technologie magnétique. L’équipe de recherche a maintenant étudié sept matériaux avec différents atomes de terres rares au total, du praséodyme à l’holmium.

Le problème dans le développement de matériaux spintroniques est que des cristaux parfaitement conçus sont nécessaires pour de tels composants, car les plus petits écarts ont un impact négatif immédiat sur l’ordre magnétique global du matériau. C’est là que l’expérience de Francfort est entrée en jeu. « Les terres rares fondent à environ 1 000 degrés Celsius, mais le rhodium qui est également nécessaire pour le verre ne fond pas avant environ 2 000 degrés Celsius », explique Krellner. « C’est pourquoi les méthodes habituelles de cristallisation ne fonctionnent pas ici. »

Au lieu de cela, les scientifiques ont utilisé de l’indium chaud comme solvant. Les terres rares, ainsi que le rhodium et le silicium nécessaires, s’y dissolvent à environ 1 500 degrés Celsius. Le creuset en graphite a été maintenu à cette température pendant environ une semaine puis refroidi doucement. En conséquence, les cristaux souhaités se sont développés sous la forme de disques minces avec une longueur de bord de deux à trois millimètres. L’équipe les a ensuite étudiés à l’aide de rayons X produits au synchrotron berlinois BESSY II et à la source lumineuse suisse de l’Institut Paul Scherrer en Suisse.

« La découverte la plus importante est que dans les cristaux que nous avons développés, les atomes de terres rares réagissent magnétiquement les uns avec les autres très rapidement, et que la force de ces réactions peut être spécifiquement réglée par le choix des atomes », explique Krellner. Cela ouvre la voie à de nouvelles optimisations : En fin de compte, la spintronique reste une recherche purement fondamentale et est à des années de la production commerciale de composants.

Cependant, il reste encore de nombreux problèmes à résoudre sur la voie de la maturité du marché. Par conséquent, les cristaux, qui sont produits sous une chaleur torride, n’offrent des propriétés magnétiques convaincantes qu’à des températures inférieures à -170 degrés Celsius. « Nous pensons que les températures de fonctionnement peuvent être augmentées de manière significative en ajoutant des atomes de fer ou des éléments similaires », déclare Krellner. « Mais il reste à voir si les propriétés magnétiques sont tout aussi positives. » Cependant, grâce aux nouveaux résultats, les chercheurs ont désormais une meilleure idée de l’endroit où il est logique de modifier les paramètres.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université Goethe de Francfort. Remarque : le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.