Un « tir à la corde » thermique permet une mémoire avec une consommation d’énergie 66 fois inférieure

Des chercheurs ont développé une technologie de mémoire capable de stocker et de conserver des données en utilisant presque aucune électricité, en contrôlant les états de spin via des changements de température.  

Les travaux, menés par des chercheurs de POSTECH et de l’Université Nationale de Chungnam, démontrent une commutation non volatile pilotée par les variations de température plutôt que par des courants électriques. L’approche pourrait réduire la consommation d’énergie jusqu’à 66 fois par rapport aux méthodes existantes, et jusqu’à 452 fois dans des conditions idéales. L’étude a été publiée dans Advanced Functional Materials en tant qu’article de couverture intérieure.  

Alors que l’intelligence artificielle (IA) accroît la demande de traitement de données plus rapide et plus efficace, la consommation d’énergie est devenue une contrainte majeure. Les grands centres de données consomment déjà de l’électricité à l’échelle de petites villes, ce qui renforce le besoin de technologies mémoire à faible puissance.

Un candidat prometteur est la spintronique, qui code les informations en utilisant le spin des électrons plutôt que leur charge. Dans de tels systèmes, la direction du spin des électrons représente les états binaires (0 et 1). Les dispositifs basés sur des isolateurs magnétiques sont particulièrement attractifs car ils évitent les pertes d’énergie causées par l’échauffement induit par le courant. 

La plupart des approches existantes reposent sur de forts courants électriques pour inverser la direction du spin, ce qui entraîne une consommation d’énergie élevée. Des méthodes basées sur la température ont été proposées comme alternative à faible consommation, mais l’orientation du spin revient généralement à son état initial lorsque la température retrouve sa valeur d’origine, rendant le fonctionnement non volatile difficile. 

Les chercheurs ont surmonté cette limitation en utilisant l’hystérésis thermique — un phénomène dans lequel un système ne revient pas immédiatement à son état d’origine après avoir été chauffé et refroidi, mais reste stable sur une certaine plage de température. 

Ils ont construit une structure bicouche en empilant deux grenats de fer de terres rares — le grenat de fer et de gadolinium (GdIG) et le grenat de fer et d’holmium (HoIG). Les deux matériaux répondent magnétiquement, mais leurs directions de spin changent différemment avec la température, de sorte que sur une plage de température spécifique, ils favorisent des orientations différentes. Le couplage fort entre les couches, combiné à l’anisotropie magnétique intrinsèque de chaque matériau, donne naissance à une bistabilité — deux états d’orientation magnétique distincts qui restent stables dans une certaine fenêtre de température. 

L’effet peut être comparé à un jeu de tir à la corde. Les deux matériaux agissent comme des équipes adverses, tandis que la température renforce ou affaiblit chaque côté. Lorsqu’un côté prend le dessus, le système bascule dans cette direction. Comme une corde maintenue en place par le frottement, elle ne revient pas facilement en arrière même si le support s’estompe. Cette persistance est essentielle au comportement non volatile, permettant à l’état de mémoire de rester stable même lorsque les conditions externes changent. 

L’équipe a réussi à inverser les directions de spin en utilisant seulement une petite variation de température d’environ ±25 K et un champ magnétique modeste. Comparée aux méthodes conventionnelles de couple spin-orbite (SOT), cette approche réduit la consommation d’énergie jusqu’à 66 fois, et jusqu’à 452 fois dans des conditions idéales. 

Le professeur Hyungyu Jin a déclaré : « Cette étude a démontré que les états de spin peuvent être contrôlés et maintenus en utilisant uniquement des changements de température. Cela pourrait être une étape importante vers des dispositifs mémoire à ultra-faible consommation pour l’ère de l’IA. » 

Article : Temperature-Induced Nonvolatile Switching through Thermal Hysteresis in a Gd3Fe5O12/Ho3Fe5O12 Exchange-Coupled Rare-Earth Iron Garnet Bilayer – Journal : Advanced Functional Materials – DOI : Lien vers l’étude

Source : POSTECH