Informatique
Comment la spintronique chirale pourrait transformer l'informatique
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Comment la spintronique pourrait révolutionner l'informatique
Progressivement, le monde de l’informatique matérielle commence à regarder au-delà des puces de silicium, ou même des formes classiques de calcul binaire.
Cela est dû au fait que les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à construire, la dernière génération étant dotée de transistors mesurant à peine quelques nanomètres.
Un autre facteur est que la consommation d’énergie devient un problème à mesure que la demande de puissance de calcul, en particulier pour les systèmes d’IA, continue de croître.
De nombreuses solutions sont proposées, l’informatique quantique et la photonique étant les options les plus importantes pour réduire la demande de calcul ou le rendre plus rapide et moins énergivore.
Une autre méthode est la spintronique, qui utilise le spin des électrons, une caractéristique quantique, au lieu du courant électrique (le flux d’électrons).
Avantages et applications potentielles de la spintronique
Les composants électroniques, tels que les transistors, sont traditionnellement fabriqués en silicium et utilisent des semi-conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d'un courant électrique.
Une autre façon d’effectuer des calculs est d’utiliser des dispositifs spintroniques, qui fonctionnent grâce au spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt qu’au courant électrique (le flux d’électrons).
Source: Insight IAS
Les données peuvent être codées à la fois dans le moment angulaire de spin, qui peut être imaginé comme une orientation intégrée « vers le haut » ou « vers le bas » de l'électron, et dans le moment angulaire orbital, qui décrit la façon dont les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques.
Parce qu'il contient plus d'informations que 0 et 1, le spin peut contenir plus de données par atome que l'électronique traditionnelle.
La spintronique présente quelques autres avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment :
- Données plus rapides, car la rotation peut être modifiée beaucoup plus rapidement.
- Moins de consommation d'énergie, car le spin peut être modifié avec moins de puissance qu'il n'en faut pour maintenir un flux d'électrons afin de créer un courant.
- Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.
- Le spin est moins volatil que l'état du semi-conducteur, ce qui rend le stockage des données plus stable.
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| Caractéristique | Électronique traditionnelle | La spintronique |
|---|---|---|
| Support d'information | Courant électrique (0 ou 1) | Spin de l'électron (haut/bas) |
| L'efficacité énergétique | Forte demande de puissance | Consommation d'énergie réduite |
| Speed | Limité par le flux de courant | Changement de rotation plus rapide |
| Matériel Requis | Semi-conducteurs complexes | Métaux/oxydes simples |
| Stabilité des données | Stockage volatil | Stable, non volatil |
La spintronique est commercialisée dans les têtes de lecture de disques durs depuis les années 1990, augmentant considérablement la densité de stockage au cours des dernières décennies.
« Le spin est une propriété mécanique quantique des électrons, qui ressemble à un minuscule aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou vers le bas.
Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter des informations dans des dispositifs dits spintroniques.
Talieh Ghiasi – Chercheuse postdoctorale à l'Université de technologie de Delft
De nombreux progrès récents ont été réalisés en spintronique, par exemple la perte de spin peut être reconvertie en magnétisation, ce qui rend l'électronique spintronique encore plus économe en énergie, ou ça spintronique et graphène pourriez alimenter les circuits quantiques de nouvelle génération.
Les scientifiques continuent de découvrir de nouvelles méthodes pour améliorer les dispositifs spintroniques, comme les chercheurs de l'Université nationale de Séoul (Corée du Sud), de l'Université de Corée, de l'Institut coréen des sciences et technologies et de la Faculté de médecine Feinberg (États-Unis). Ils ont créé des nanohélices magnétiques capables de contrôler le spin des électrons, ce qui pourrait ouvrir la voie à un tout nouveau domaine de dispositifs dits « spintroniques chiraux ».
Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue scientifique Science1, sous le titre "Transport sélectif de spin à travers des nanohélices ferromagnétiques chirales ».
Spintronique chirale
Qu'est-ce que la chiralité en spintronique ?
Dans la nature, la symétrie est une caractéristique fondamentale de nombreux éléments, notamment des composants de l'ADN et de la lumière elle-même. Il est possible que deux molécules presque identiques diffèrent non pas par leur composition ou leur forme, mais par leur orientation, un concept appelé « chiralité ».
La chiralité peut être expliquée dans sa forme la plus simple comme la manière dont notre main gauche diffère de notre main droite, bien que les deux mains soient identiques dans leur forme, leur structure et leur fonction.
La chiralité joue un rôle fondamental en biologie, la sélection naturelle ayant sélectionné exclusivement les molécules d’ADN « droitières », le sucre et les acides aminés (le composant de base des protéines).
Elle est cependant rare dans les matériaux inorganiques, qui ont tendance à être soit désorganisés, soit des cristaux sans chiralité.
Comment les métaux acquièrent de la chiralité pour la spintronique
Les scientifiques ont réussi à créer des nanohélices magnétiques chirales gauches et droites en contrôlant électrochimiquement le processus de cristallisation du métal. Un alliage cobalt-fer a été choisi pour ses propriétés ferromagnétiques.
Une innovation clé dans ce procédé est l’utilisation de traces de molécules organiques chirales, telles que la cinchonine ou la cinchonidine, qui ont guidé la formation des hélices.
« Dans les métaux et les matériaux inorganiques, le contrôle de la chiralité pendant la synthèse est extrêmement difficile, en particulier à l’échelle nanométrique.
Le fait que nous puissions programmer la direction des hélices inorganiques simplement en ajoutant des molécules chirales est une avancée majeure dans la chimie des matériaux.
Pour démontrer la chiralité de ces nanohélices, ils ont mesuré les champs électromagnétiques (CEM) générés par les hélices sous des champs magnétiques rotatifs.
Cela crée un moyen simple de tester si le matériau a été produit correctement, car les hélices gauche et droite produisent des signaux EMF opposés, permettant une vérification quantitative de la chiralité, ne nécessitant pas que le matériau magnétique interagisse fortement avec la lumière, la manière habituelle de vérifier la chiralité.
Plus important encore, ils ont découvert que ces métaux magnétiques chiraux peuvent également guider le spin en conséquence : ils laissent préférentiellement passer une direction de spin, tandis que le spin opposé ne le peut pas.
« La chiralité est bien comprise dans les molécules organiques, où la chiralité d'une structure détermine souvent sa fonction biologique ou chimique. »
Applications potentielles de la spintronique chirale
Grâce à la magnétisation inhérente du matériau (alignement de spin), le transport de spin sur de longues distances à température ambiante est devenu possible.
Cet effet s'est avéré constant, quel que soit l'angle entre l'axe chiral et la direction d'injection de spin. N'ayant pas été observé dans des nanohélices non magnétiques de même échelle, il semble être directement lié aux hélices magnétiques chirales.
Il s’agirait du tout premier transport de spin asymétrique jamais découvert dans un matériau à échelle relativement macroscopique.
L'équipe a également démontré un dispositif à l'état solide qui présentait des signaux de conduction dépendant de la chiralité, ouvrant la voie à des applications spintroniques pratiques.
« Ces nanohélices atteignent une polarisation de spin supérieure à environ 80 %, simplement grâce à leur géométrie et à leur magnétisme. »
Il s'agit d'une combinaison rare de chiralité structurelle et de ferromagnétisme intrinsèque, permettant le filtrage de spin à température ambiante sans circuits magnétiques complexes ni cryogénie, et offrant une nouvelle façon de concevoir le comportement des électrons à l'aide de la conception structurelle.
Un autre avantage de cette nouvelle technologie est que le processus de fabrication est relativement simple et peu coûteux, n’utilisant pas de matériaux rares ni de technologies complexes.
« Nous pensons que ce système pourrait devenir une plateforme pour la spintronique chirale et l’architecture des nanostructures magnétiques chirales.
Cette œuvre représente une puissante convergence de géométrie, de magnétisme et de transport de spin, construite à partir de matériaux inorganiques évolutifs.
Il reste encore beaucoup à faire pour explorer pleinement le potentiel de cette nouvelle idée et de ces nouveaux matériaux. Par exemple, le nombre de brins (doubles hélices multiples) peut être modifié à volonté et pourrait donner naissance à des caractéristiques encore inconnues.
La capacité de contrôler le sens d'orientation (gauche/droite) et même le nombre de brins (hélices doubles et multiples) à l'aide de cette méthode électrochimique polyvalente devrait contribuer de manière significative à de nouveaux domaines d'application.
Entre la facilité de production et la possibilité de transfert de spin à longue distance, cela pourrait être très utile pour la production d'ordinateurs et de réseaux entièrement basés sur le spin, avec des avantages économiques liés à une consommation d'énergie plus faible et à un stockage de données stable.
Investir dans les innovateurs spintroniques
1. Technologies Everspin
(MRAM )
Everspin est une branche de Freescale (aujourd'hui connue sous le nom de NXP, symbole boursier NXPI) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM, la forme la plus courante de spintronique commercialement viable aujourd'hui. Elle a été scindée et introduite en bourse en 2016.
Everspin est considéré comme le leader de la technologie MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), héritant de l'expérience de Freescale en matière de le premier à commercialiser une puce MRAM en 2006.
Parce que la MRAM est une mémoire qui persiste même en l’absence de courant, elle est de plus en plus utilisée dans les cas d’utilisation sensibles où les données critiques sont trop importantes pour risquer d’être perdues.
Porté par des applications omniprésentes telles que l'analyse de données, le cloud computing, terrestre et extraterrestre, l'intelligence artificielle (IA) et l'IA Edge, y compris l'IoT industriel, le marché de la mémoire persistante devrait croître à un TCAC de 27.5 % entre 2020 et 2030.
Source: Everspin
L'entreprise estime que le marché atteindra une taille de 7.4 milliards de dollars d'ici 2027. L'entreprise n'a aucune dette et un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021.
Les produits MRAM Everspin occupent actuellement une niche petite mais en pleine croissance, servant des marchés où la fiabilité est cruciale, comme l'aérospatiale, les satellites, les enregistreurs de données, les appareils de surveillance des patients, etc.
Source: Everspin
La croissance des chipsets, de l’IA et des systèmes synaptiques pourrait également constituer un atout à long terme pour l’entreprise.
2. Société NVE
(NVEC )
Autre leader de la spintronique, NVE travaille sur cette technologie depuis son premier brevet en technologie MRAM en 1995. Il produit de la spintronique capteur et isolateurs, principalement utilisé dans les systèmes de mesure et de capteurs pour les voitures, les engrenages, les appareils médicaux, les alimentations électriques et autres appareils industriels.
Source: NVE
Cela place NVE dans une catégorie quelque peu différente d'Everspin, NVE étant davantage une entreprise industrielle avec une position forte sur un marché de niche (magnétomètre utilisant la spintronique), tandis qu'Everspin est davantage une entreprise de mémoire/informatique travaillant avec et en concurrence avec des sociétés comme Intel, Qualcomm, Toshiba et Samsung, qui développent également leur propre produit MRAM.
Cela peut rendre l'action plus (ou moins) attractive en fonction du profil des investisseurs, l'action NVE étant plus susceptible de plaire aux investisseurs plus conservateurs recherchant un rendement en dividendes et de la sécurité.
Études référencées
1. Yoo Sang Jeon, Et al. Transport sélectif de spin à travers des nanohélices ferromagnétiques chirales. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, numéro 6764. pp. 1031-1036. DOI : 10.1126/science.adx5963
