Science matérielle
Contrôler l’électronique grâce à la photoexcitation – La magnétite inaugurera-t-elle les appareils de nouvelle génération ?
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Le potentiel de la spintronique
Les composants électroniques comme les transistors sont traditionnellement construits en silicium et reposent sur 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 consiste à utiliser des dispositifs spintroniques qui fonctionnent sur le spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt que sur le courant électrique (flux d'électrons).
La spintronique présente quelques avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment :
- Des 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.
La spintronique est notamment utilisée pour les disques durs et a permis d'augmenter la capacité de stockage au cours de la dernière décennie.
Un matériau déjà utilisé en spintronique est magnétite, un minéral naturel composé d'oxygène et de deux formes de fer à différents niveaux d'oxydation.
Source: Britannique
Même si la magnétite est connue depuis des décennies pour ses propriétés magnétiques, il semble qu’il y ait encore beaucoup à apprendre à son sujet.
Des chercheurs de l'EPFL en Suisse ont découvert que les lasers peuvent créer de nouveaux changements de phase jusqu'alors inconnus dans la magnétite. Cela pourrait à son tour conduire à une nouvelle génération d’équipements électroniques.
Les propriétés cachées de la magnétite
Les chercheurs se sont concentrés sur la magnétite en raison de ses propriétés métal-isolant, lui permettant de passer du statut de conducteur d'électricité à celui de blocage. On parle aussi de transition de phase, où les propriétés d'un matériau changent brusquement d'une étape à une autre, un peu à la façon dont l'eau liquide peut se transformer en glace, avec des propriétés très différentes.
En utilisant deux types de lasers différents, l'un émettant de la lumière à 800 nm et l'autre à 400 nm (lumière infrarouge et visible), ils ont découvert que de nouvelles phases apparaissaient dans la magnétite, non identifiées jusqu'à présent.
Ce n’est pas une mince affaire, car les chercheurs ont dû détecter des changements survenant dans un laps de temps infinitésimal. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique appelée Diffraction électronique ultrarapide (UED), qui leur a permis d’observer les mouvements des atomes durant moins d’une picoseconde ou d’un billionième de seconde.
Modification de la configuration spatiale
Normalement, la structure atomique de la magnétite est un « réseau monoclinique », où la maille élémentaire a la forme d'une boîte oblique à trois arêtes inégales. Deux de ses angles sont de 90 degrés, tandis que le troisième est différent.
Source: ACS
La lumière de 800 nm provoque la compression de la structure atomique de la magnétite, la transformant en une structure cubique. L’observation ultra-rapide a montré aux chercheurs que cela s’est produit selon un processus en 3 étapes.
Les 400 nm ont plutôt provoqué l’expansion de la structure atomique du métal, créant une configuration très stable, ce qui en fait un isolant très stable.
Cette configuration est différente de l’équilibre stable de la magnétite précédemment connu et fournit un aperçu approfondi de ce qui se passe réellement lors de la transition métal-isolant.
Nouveaux systèmes électroniques
Cette découverte signifie qu'il est possible de modifier l'effet sur le spin et le courant de la magnétite simplement avec la lumière des lasers.
Grâce à des systèmes laser très rapides, il pourrait permettre à une impulsion photonique de modifier rapidement et de manière contrôlée la nature du matériau métallique.
« Notre étude ouvre la voie à une nouvelle approche pour contrôler la matière à une échelle de temps ultra-rapide à l’aide d’impulsions photoniques personnalisées.
Être capable d'induire et de contrôler des phases cachées dans la magnétite pourrait avoir des implications significatives pour le développement de matériaux et de dispositifs avancés.
Par exemple, des matériaux capables de basculer rapidement et efficacement entre différents états électroniques pourraient être utilisés dans les dispositifs informatiques et de mémoire de nouvelle génération.
Meilleure mémoire
La spintronique et la magnétite constituent de nouvelles frontières pour les fabricants de systèmes électroniques. Ce qui a commencé dans un disque dur s'étend désormais à d'autres systèmes de mémoire.
Par exemple, la mémoire vive (DRAM) pourrait être remplacée par de la RAM magnétique (MRAM). La première version de ce concept est un produit déjà commercialisé par Everspin et a été utilisé dans les avions Airbus, grâce à sa résistance aux changements de température ainsi qu'au rayonnement cosmique par rapport aux systèmes de mémoire traditionnels.
Un autre avantage de la MRAM est sa taille plus petite et sa consommation d'énergie inférieure, ce qui signifie jusqu'à 80 % de demande d'énergie en moins. Cela peut permettre d'incorporer la MRAM comme mémoire cache dans les processeurs avec une capacité totale plus grande tout en consommant moins d'énergie et en générant moins de chaleur, l'espace et la chaleur devenant des facteurs limitants clés dans l'amélioration des processeurs.
La photonique ?
L'utilisation du laser dans des conditions changeantes de magnétite rappelle le domaine croissant de la photonique, l'une des options dont nous avons discuté. dans notre article sur les entreprises qui font évoluer le calcul au-delà des systèmes à semi-conducteurs.
Un système utilisant déjà le laser et la lumière pour effectuer des calculs pourrait grandement bénéficier d'un système de mémoire exploitant le changement de phase de la magnétite induit par la lumière. Cela pourrait permettre de convertir directement le résultat du calcul en données, avec peu d'étapes intermédiaires consommatrices d'énergie et de ralentissements.
Entreprises de spintronique
1. Technologies Everspin
(MRAM )
Everspin est la branche de Freescale (actuellement nommée NXP, symbole boursier NXPI) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM. Elle a été scindée et introduite en bourse en 2016.
Everspin est considéré comme le leader de la technologie MRAM, héritant de l'expérience de Freescale en matière de le premier à commercialiser une puce MRAM en 2006.
La MRAM étant une mémoire qui persiste même en l’absence de courant, elle est de plus en plus utilisée dans des cas d’utilisation sensibles où les données critiques sont importantes.
Poussé par des applications omniprésentes telles que l'analyse de données, le cloud computing, à la fois terrestre et extraterrestre, l'intelligence artificielle (IA) et l'Edge AI, 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
La société estime que le marché atteindra une taille de 7.4 milliards de dollars d’ici 2027. La société n’a aucune dette et un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021.
Les produits MRAM Everspin occupent actuellement une niche petite mais croissante, 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 plutôt une entreprise industrielle avec une position forte sur un marché de niche (magnétomètre utilisant la spintronique), tandis qu'Everspin est plutôt une entreprise de mémoire/informatique travaillant avec et en concurrence avec des sociétés similaires. d'Intel, Qualcomm, Toshiba et Samsung développent également leur propre produit MRAM.
Cela peut en faire une action plus (ou moins) attractive en fonction du profil des investisseurs, l'action NVE étant plus susceptible de plaire aux investisseurs plus conservateurs à la recherche d'un certain rendement en dividendes et de sécurité.
