Les matériaux 2D pourraient améliorer le stockage magnétique des données

Des calculs théoriques effectués par des chercheurs de la KAUST ont permis d’identifier un matériau susceptible d’améliorer les dispositifs de stockage de données magnétiques. Ce matériau, composé de seulement trois couches atomiques, pourrait permettre de créer des jonctions tunnel magnétiques (MTJ) plus petites et plus fiables.

Les MTJ contiennent deux couches ferromagnétiques séparées par une fine barrière isolante, ce qui leur permet de capter l’aimantation. Elles sont utilisées, par exemple, pour lire les données des disques durs qui stockent les zéros et les uns de l’information binaire dans l’aimantation de minuscules régions du disque.

Ils sont également à la base d’une technologie de stockage de données appelée mémoire magnétique à accès aléatoire, qui est utilisée dans des applications où les données doivent être lues ou écrites rapidement, ou lorsqu’une grande endurance est requise. Dans ces MTJ, l’une des couches ferromagnétiques a une magnétisation fixe, tandis que la magnétisation de l’autre peut pointer dans la même direction ou dans la direction opposée. Ces deux états codent l’information binaire. Les données sont écrites en commutant l’aimantation, et elles peuvent être lues en déterminant la résistance électrique entre les couches.

Les MTJ classiques présentent de minuscules défauts qui limitent leurs performances. Les chercheurs tentent donc de mettre au point des dispositifs plus avancés basés sur des matériaux 2D, qui peuvent ne contenir que quelques couches atomiques.

L’équipe de la KAUST a étudié une conception de MTJ qui utilise deux morceaux du matériau 2D iodure de lanthane comme couches ferromagnétiques. L’espace entre ces couches – connu sous le nom d’espace de van der Waals – agit comme une barrière isolante. Les couches d’iodure de lanthane sont prises en sandwich entre des électrodes en graphène, un réseau alvéolaire d’atomes de carbone. Les calculs des chercheurs montrent que la commutation de cette MTJ entre ses deux états magnétiques – à l’aide d’un champ magnétique externe – modifie le flux de charge entre les électrodes.

Cet effet repose sur le fait que les électrons ont leur propre magnétisme intrinsèque. Lorsque les magnétisations des couches d’iodure de lanthane pointent dans la même direction, les électrons peuvent traverser plus facilement la barrière isolante que lorsque les magnétisations des couches pointent dans des directions opposées.

La différence entre les courants électriques des deux états du dispositif détermine le rapport de magnétorésistance à effet tunnel. Un rapport élevé implique une commutation plus fiable entre ces états. Les chercheurs ont calculé que leur dispositif présente un rapport de magnétorésistance à effet tunnel très élevé de 653 %, soit plus de trois fois celui des MTJ commerciales à base de fer.

« Le principal avantage par rapport aux jonctions tunnel magnétiques conventionnelles est l’utilisation d’un matériau 2D, qui permet une conception ultra-mince avec des interfaces atomiquement lisses », explique Udo Schwingenschlögl, qui a dirigé l’équipe. L’exploitation de l’espace de van der Waals entre les deux couches ferromagnétiques simplifie également la conception du dispositif, ajoute-t-il, car aucune couche isolante supplémentaire n’est nécessaire.

« Un rapport de magnétorésistance élevé peut également améliorer la fiabilité du stockage des données dans les mémoires magnétiques à accès aléatoire », ajoute Shubham Tyagi, doctorant à la division des sciences physiques et de l’ingénierie de la KAUST, qui faisait partie de l’équipe. Les chercheurs prévoient maintenant d’autres calculs pour différentes combinaisons de matériaux 2D et espèrent découvrir des arrangements qui améliorent encore les performances des MTJ.

Légende illustration : Le matériau identifié par les chercheurs de la KAUST, composé de seulement trois couches atomiques, pourrait permettre de créer des jonctions tunnel magnétiques plus petites et plus fiables, améliorant ainsi les dispositifs de stockage de données magnétiques. 2024 KAUST.

Tyagi, S., Ray, A., Singh, N. & Schwingenschlögl, U. Magnetic tunnel junction based on bilayer LaI₂ as perfect spin filter device. npj 2D Materials and Applications 8, 57 (2024).| article