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Une nouvelle tournure de l'informatique
Un effort croissant est en cours parmi les chercheurs pour trouver un moyen de rendre la spintronique, la manipulation du spin des électrons pour faire de l'informatique, pratique. La promesse est claire : la spintronique pourrait conduire à des ordinateurs qui s'allument instantanément et à des appareils électroniques qui utilisent beaucoup moins d'énergie de batterie, et également à surmonter les limites imminentes de la loi de Moore. Mais les défis liés à l'utilisation de la spintronique pour les opérations logiques sont également intimidants. Pas le moindre d'entre eux est de trouver le bon matériau pour construire des circuits pratiques. Depuis plusieurs années, des chercheurs étudient des semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium, dopés avec des éléments comme le manganèse pour les rendre magnétiques. Mais ceux-ci ne fonctionnent qu'à des températures inférieures à environ moins 120 °C, ce qui n'est guère une option pour les ordinateurs de tous les jours.
chercheur au MIT Jagadeesh Moodera et son équipe ont développé un matériau qui fonctionne à température ambiante et est facile à créer. Le matériau est de l'oxyde d'indium, qui est similaire au matériau utilisé pour conduire la charge dans l'écran tactile d'un guichet automatique, avec une petite quantité de chrome ajoutée pour le rendre magnétique. D'autres matériaux qui pourraient fonctionner, selon Moodera, incluent l'oxyde de zinc, largement utilisé dans les écrans solaires, et l'oxyde de titane. Le semi-conducteur magnétique polariserait le spin des électrons, qui s'écouleraient ensuite dans la puce de silicium où les circuits les utiliseraient pour effectuer des calculs, tandis qu'un détecteur, probablement constitué du même matériau que l'injecteur de spin, les lirait au fur et à mesure qu'ils s'écoulent.
Le matériau a besoin de plus de développement avant de pouvoir être testé dans un circuit réel. Mais Don Heiman , professeur de physique à la Northeastern University, qualifie la création d'un semi-conducteur magnétique qui fonctionne à température ambiante de percée assez importante.
En effet, dit Moodera, il y a plusieurs années de travail à faire pour construire une puce informatique pratique basée sur la spintronique. Par exemple, il n'est pas clair comment le silicium et l'oxyde d'indium interagissent au point où ils se touchent. Il est très difficile de contrôler la forme du matériau à cette interface, qui a une épaisseur d'environ deux couches atomiques, et il est possible que les différences entre les deux matériaux fassent perdre leur polarisation aux spins des électrons. Il faudra une bonne quantité de recherche fondamentale juste pour comprendre ce qui se passe à l'interface, dit Moodera, et plus de travail pour apprendre à la contrôler. Et une fois qu'ils auront construit un injecteur de spin fonctionnel, les chercheurs devront encore concevoir un détecteur de spin et le transistor.
Les circuits à spin sont intrigants car ils ajoutent une nouvelle dimension à l'informatique. Alors que l'informatique électronique est basée sur la charge négative de l'électron, allumer et éteindre rapidement le courant pour rendre le un sable 0 s du monde numérique, la spintronique repose sur la capacité croissante des scientifiques à manipuler une autre propriété de mécanique quantique de l'électron, une propriété connue sous le nom de spin. C'est important pour une industrie des puces informatiques qui envisage un moment où elle ne pourra plus réduire la taille des circuits. Les puces informatiques actuelles utilisent des transistors au silicium inscrits avec des lignes de moins de 100 nanomètres d'épaisseur. Les fabricants de puces continuent de réduire la taille des transistors afin d'en entasser davantage sur une puce, mais une fois qu'ils auront atteint quelques nanomètres, ils commenceront à laisser fuir des électrons. Moodera et d'autres espèrent que la spintronique leur permettra de faire plus de calculs avec le même nombre de transistors.
Dans un semi-conducteur normal, le spin d'un électron est arrangé de manière aléatoire ; on pointe par ici, on pointe par là. Mais lorsqu'une majorité d'électrons ont le même spin, le résultat est un champ magnétique. Cela signifie que toute puce informatique dans laquelle les rotations sont contrôlées peut fonctionner comme une mémoire non volatile, car la rotation reste la même jusqu'à ce qu'une force externe agisse pour la modifier. Parce que la mémoire est non volatile, ce qui signifie qu'elle ne nécessite pas de flux de courant pour continuer à rafraîchir les informations, elle utilise beaucoup moins d'énergie électrique, ce qui permet aux batteries de durer plus longtemps et de réduire leur risque de surchauffe. Il permet également à un transistor d'utiliser à la fois la charge et le spin et de fonctionner à la fois comme une porte logique et une mémoire. Une puce informatique pourrait effectuer toutes les mêmes tâches avec moins de circuits, laissant de la place pour ajouter des circuits supplémentaires sans avoir à rendre les appareils encore plus petits.
Les dispositifs spintroniques existent déjà ; Les disques durs stockent beaucoup plus d'informations qu'il y a dix ans, car Moodera et d'autres ont développé des têtes de lecture basées sur la spintronique qui peuvent détecter de minuscules changements de magnétisme, permettant de regrouper des morceaux de données plus nombreux et plus petits dans le même espace. Et une entreprise a commencé à vendre de la mémoire magnétique à accès aléatoire, une autre technologie basée sur le spin, qui ne nécessite pas de flux de courant pour stocker des données.
Mais pour appliquer la spintronique aux circuits logiques, les scientifiques doivent trouver comment mettre le spin qu'ils veulent dans le transistor et comment le détecter de l'autre côté une fois que le circuit l'a manipulé. Ils veulent un film mince qu'ils peuvent placer sur le semi-conducteur et dans lequel ils peuvent utiliser le champ magnétique pour aligner le spin des électrons, avant de transporter ces électrons alignés dans le semi-conducteur. L'oxyde d'indium de Moodera est un candidat potentiel pour un tel film, une fois qu'il le comprend parfaitement et qu'il sait comment l'optimiser.
Moodera ne veut pas prédire combien de temps il faudra pour construire un circuit spintronique pratique, bien qu'il estime que des milliers de scientifiques aux États-Unis, en Asie et en Europe y travaillent : cela pourrait prendre 10 ans, cela pourrait être six. C'est difficile à dire. Mais il souligne comment la spintronique a amélioré les disques durs, passant de capacités de quelques mégaoctets il y a 15 ans, quand personne n'avait même pensé à utiliser la spintronique, aux iPod actuels qui vous permettent de transporter un lecteur de 60 gigaoctets dans votre poche. Je suis un chercheur optimiste, dit-il.