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La vie moderne tourne autour des données, ce qui signifie que nous avons besoin de nouvelles méthodes, rapides et économes en énergie pour lire et écrire des données sur nos dispositifs de stockage. Les approches basées sur l’optique, qui utilisent des impulsions laser pour écrire des données au lieu d’aimants, ont fait l’objet d’une attention majeure au cours de la dernière décennie suite au développement de la commutation tout optique (AOS) pour les matériaux magnétiques.

Une unité de stockage qui utilise un laser

Bien que rapide et économe en énergie, l’AOS pose des problèmes de précision. Des chercheurs de l’université de technologie d’Eindhoven ont mis au point une nouvelle méthode pour écrire avec précision des données sur une couche de cobalt-gadolinium (Co/Gd) avec une impulsion laser en utilisant un matériau ferromagnétique comme référence pour faciliter le processus d’écriture.
Les matériaux magnétiques des disques durs et autres dispositifs stockent les données sous forme de bits informatiques, c’est-à-dire des 0 et des 1, dans des spins magnétiques orientés soit vers le haut soit vers le bas. Traditionnellement, ces données sont lues et écrites sur un disque dur en déplaçant un petit aimant sur le matériau. Cependant, la demande de production, de consommation, d’accès et de stockage de données ne cessant d’augmenter, il existe une demande considérable pour des méthodes plus rapides et plus efficaces sur le plan énergétique pour accéder, stocker et enregistrer des données.
La commutation tout optique (AOS) des matériaux magnétiques est une approche prometteuse en matière de vitesse et d’efficacité énergétique. L’AOS utilise des impulsions laser femtoseconde pour commuter l’orientation des spins magnétiques à l’échelle de la picoseconde. Deux mécanismes peuvent être utilisés pour écrire des données : la commutation à impulsions multiples et la commutation à impulsions uniques. Dans la commutation à impulsions multiples, l’orientation finale des spins (c’est-à-dire vers le haut ou vers le bas) est déterministe, ce qui signifie qu’elle peut être déterminée à l’avance par la polarisation de la lumière. Cependant, ce mécanisme nécessite généralement plusieurs lasers, ce qui ralentit la vitesse et l’efficacité de l’écriture.

Une approche déterministe 

Une meilleure approche serait une approche déterministe de l’AOS à impulsion unique, où la direction finale d’un bit ne dépend que du processus utilisé pour définir et réinitialiser le bit. Maintenant, des chercheurs du groupe de physique des nanostructures du département de physique appliquée de l’université de Toronto ont démontré une nouvelle approche qui permet d’obtenir une écriture déterministe à impulsion unique dans les matériaux de stockage magnétiques, ce qui rend le processus d’écriture beaucoup plus précis.
Pour leurs expériences, les chercheurs ont conçu un système d’écriture composé de trois couches : une couche de référence ferromagnétique en cobalt et en nickel qui aide ou empêche la commutation de spin dans la couche libre, une couche d’espacement ou d’écartement en cuivre (Cu) conducteur et une couche libre en Co/Gd commutable optiquement. L’épaisseur des couches combinées est inférieure à 15 nm.
Une fois excitée par un laser femtoseconde, la couche de référence se démagnétise en moins d’une picoseconde. Une partie du moment angulaire perdu associé aux spins dans la couche de référence est alors convertie en un courant de spin transporté par les électrons. Les spins dans le courant sont alignés avec l’orientation des spins dans la couche de référence.
Ce courant de spin se déplace ensuite de la couche de référence à travers la couche d’espacement en cuivre vers la couche libre où il peut aider ou empêcher la commutation des spins dans la couche libre. Cela dépend de l’orientation relative du spin dans les couches de référence et libre.

Deux modes de fonctionnement

La variation de l’énergie laser entraîne deux modes de fonctionnement. Premièrement, au-delà d’un seuil, les orientations finales du spin dans la couche libre sont entièrement déterminées par la couche de référence, et deuxièmement, au-delà d’un seuil plus élevé, on observe une commutation de spin. Les chercheurs ont montré qu’ensemble, ces deux modes peuvent être utilisés pour l’écriture précise des états de spin dans la couche libre sans tenir compte de son état initial pendant le processus d’écriture. Cette découverte représente une avancée importante pour l’utilisation de nos futurs dispositifs de stockage de données.
Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.
Source : Eindhoven University of Technology
Crédit photo : Pixabay