L’intelligence artificielle fait face à une crise énergétique, provenant d’un embouteillage physique à l’intérieur des puces informatiques modernes.
Les processeurs doivent continuellement déplacer des données, comme les milliards de paramètres dans les modèles complexes, entre des nœuds de calcul et de mémoire séparés. Cet embouteillage, connu sous le nom de « goulot d’étranglement de von Neumann », entrave la vitesse et la consommation d’énergie des processeurs avancés.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques développent la spintronique, qui exploite le « spin » de l’électron, ou son orientation magnétique intrinsèque, pour des dispositifs plus efficaces. Une étape longtemps recherchée dans ce domaine est un dispositif unique, appelé « transistor à spin », qui combine un bit magnétique avec un interrupteur semi-conducteur, lui permettant de calculer et de stocker des données simultanément.
« Le principal défi est de comprendre comment le magnétisme et le courant électrique interagissent dans les dispositifs nanométriques », a déclaré Brian Zhou, professeur de physique au Boston College, dont le groupe a dirigé l’étude. « Nous avons développé un microscope quantique à spin unique pour observer les états magnétiques à l’intérieur de dispositifs atomiquement minces lorsqu’ils traitent activement des informations électriques. »
Cette perspective basée sur le quantique a permis à l’équipe dirigée par des chercheurs du Boston College d’introduire un changement conceptuel dans la façon dont les transistors magnétiques peuvent être conçus. Dans une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters, l’équipe a démontré une architecture utilisant le semi-conducteur magnétique, le bromure de sulfure de chrome (CrSBr), qui permet de commuter les signaux soit par magnétisme, soit par tension.
« Traditionnellement, ces dispositifs nécessitent d’assembler deux matériaux différents : un aimant et un semi-conducteur », a expliqué le professeur Zdeněk Sofer, expert en synthèse de matériaux à l’Université de chimie et de technologie de Prague. « En concevant un seul cristal de van der Waals, le CrSBr, qui possède intrinsèquement des propriétés semi-conductrices et magnétiques, nous éliminons complètement les pertes aux interfaces. »
Le groupe de recherche de Zhou a fabriqué le transistor en utilisant du CrSBr d’une épaisseur de deux couches, en plaçant des électrodes séparées latéralement sur des couches opposées. Leur construction unique force le courant à circuler à la fois à travers et entre les deux couches magnétiques. Le dispositif peut être commuté « allumé » et « éteint » soit en modifiant la tension sur une électrode de grille voisine, soit en modifiant les orientations magnétiques relatives des deux couches de CrSBr, similaire à un transistor CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) traditionnel, mais avec une touche magnétique supplémentaire.
Pour caractériser le transistor à spin, les chercheurs ont combiné des mesures électriques avec une sonde de détection quantique à haute résolution, la magnétométrie à balayage par centre NV (lacune d’azote). Cette technique d’imagerie spécialisée cartographie le champ magnétique local en suivant les variations de la résonance magnétique d’un seul défaut atomique. Le microscope quantique a révélé de manière frappante le comportement magnétique et électrique corrélé du dispositif : comment les changements spatiaux de l’aimantation modifient la conductance du dispositif, et comment la tension de grille fait basculer les couches magnétiques entre des états parallèles et antiparallèles.
Un facteur clé qui a amélioré les performances du transistor à spin développé a été la capacité des chercheurs à accéder à la conduction « limitée par la charge d’espace ». Dans ce régime, l’accumulation interne et la répulsion mutuelle des charges dans le matériau modifient la relation courant-tension, la faisant afficher une loi de puissance au lieu du comportement ohmique linéaire conventionnel.
« La mise à l’échelle rapide par loi de puissance nous permet de régler considérablement la conductivité », a souligné Thomas K. M. Graham, étudiant diplômé et auteur principal de l’étude. « Notre dispositif atteint un rapport on/off électrique d’un million de pour cent et un rapport on/off magnétique de 3000 pour cent, ce dernier étant nettement supérieur aux efforts précédents. »
En fusionnant la logique de commutation avec un bit de mémoire non volatile, l’architecture développée ouvre la voie à des processeurs ultra-efficaces et « instantanés » qui n’ont pas besoin de récupérer les données de la mémoire, ainsi qu’à des circuits de calcul reconfigurables pouvant être reprogrammés après fabrication.
Pour réaliser ce potentiel, Zhou affirme que les chercheurs doivent continuer à faire progresser les techniques d’imagerie nanométrique et le contrôle électrique des états magnétiques.
Article : Space-Charge-Limited van der Waals Spin Transistor – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Boston College
