La spintronique devient chirale

Salle blanche du Fraunhofer IPMS avec des installations de 300 mm pour la recherche et le développement. © Fraunhofer IPMS / Salle blanche de 300 mm au Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Appareils pour la fabrication de couches minces au MPI CPfS. © MPI CPfS / Outils de fabrication pour les films minces au MPI CPfS © MPI CPfS

Les composants spintroniques reposent sur l'utilisation du spin fondamental de l'électron pour la transmission et le stockage d'informations. Leur utilisation ne nécessiterait pas de courants de charge pour leur fonctionnement, ce qui conduirait à une meilleure efficacité énergétique avec une consommation d'énergie réduite, une vitesse de traitement des données plus élevée et une meilleure intégration du stockage et de la logique. Cependant, des matériaux appropriés pour de nouvelles implémentations spintroniques sont nécessaires. Leur fabrication et leur analyse requièrent des méthodes de pointe issues de la nanotechnologie. C'est pourquoi des chercheurs de l'Institut Max-Planck pour la Physique Chimique des Solides et de l'Institut Fraunhofer pour les Microsystèmes Photoniques IPMS ont lancé un projet commun pour l'étude de nouveaux matériaux pour la spintronique. Le projet est financé par la Banque de développement de Saxe.

Les technologies de traitement de l'information et de stockage de données, par exemple pour la mémoire informatique ou les disques durs dans les centres de données, reposent aujourd'hui sur l'utilisation de courants de charge, qui sont naturellement associés à des pertes et à une consommation d'énergie élevée. Un concept alternatif offre la technologie CMOS moderne, en utilisant le moment magnétique de chaque électron, une propriété quantique appelée « spin ». Cela permet une vitesse de traitement des données plus élevée et une meilleure intégration du stockage et de la logique avec une consommation d'énergie globalement plus faible. Pour atteindre ces objectifs, il faut surtout découvrir de nouveaux matériaux avec les propriétés souhaitées, permettant une efficacité élevée des courants de spin. C'est ici qu'intervient le projet « Spintronique topologique : matériaux compatibles CMOS de la famille B20 » de l'Institut Max-Planck pour la Physique Chimique des Solides et de l'Institut Fraunhofer pour les Microsystèmes Photoniques IPMS.

Les cristaux chiraux constituent une classe de matériaux prometteuse, dont les possibilités d'utilisation dans l'électronique basée sur le spin sont encore largement inexplorées. Dans les matériaux chiraux, les atomes constituant le cristal peuvent présenter deux arrangements inégaux, qui ressemblent à leur image miroir. Cela est comparable à notre main droite et à notre main gauche, qui ne peuvent pas se superposer si les paumes sont tournées vers le bas – ce qui est appelé chiralité. Le projet vise à combler le fossé entre la compréhension du lien entre chiralité et courants de spin et l'évaluation du potentiel des matériaux chiraux pour des applications électroniques.

L'Institut Max-Planck pour la Physique Chimique des Solides et l'Institut Fraunhofer IPMS se sont regroupés pour étudier les propriétés des matériaux chiraux non magnétiques et aller au-delà de ce qui est connu jusqu'à présent. Le financement par la Banque de développement de Saxe pour le projet « Spintronique topologique : matériaux compatibles CMOS de la famille B20 » permet aux instituts de Dresde d'investir dans de nouveaux dispositifs pour leurs recherches et développements modernes. Les partenaires utiliseront leur équipement exceptionnel pour la croissance de matériaux afin d'étudier de nouveaux matériaux chiraux avec une conversion élevée de charge en spin. Ces matériaux seront intégrés dans la fabrication de composants magnétiques de haute qualité pour de futures applications spintroniques.

Le groupe de la professeure Claudia Felser à l'Institut Max-Planck pour la Physique Chimique des Solides est reconnu internationalement pour ses recherches sur de nouveaux matériaux quantiques topologiques. « Le spin et la charge des électrons dans les cristaux chiraux ouvrent une nouvelle voie pour une nouvelle électronique à haute vitesse, mais il reste encore beaucoup à faire du matériau au composant », explique la professeure Claudia Felser, directrice à l'Institut Max-Planck à Dresde. « Avec nos collègues du Fraunhofer IPMS, nous avons la possibilité de raccourcir ce chemin. » « Ce projet combine notre expertise dans le domaine de la topologie, la croissance de couches minces épitaxiques de haute qualité et notre expérience en spintronique, ce qui nous permettra de découvrir de nouveaux matériaux de la famille B20 avec une efficacité élevée », déclare le Dr. Anastasios Markou, chef de groupe dans l'équipe de Felser.

« Ce partenariat nous propulsera au niveau supérieur. Avec nos collègues de l'Institut Max-Planck, nous pouvons travailler avec des matériaux qui ne sont pas encore disponibles dans le monde CMOS », ajoute le Dr. Maik Wagner-Reetz, responsable des activités spintronique au Fh IPMS. Le Centre de Technologies Nanoélectroniques du Fraunhofer IPMS développe des solutions pour les processus et composants à l’échelle des wafers de 300 mm, facilitant le transfert des résultats de la recherche fondamentale vers l'application industrielle. Parmi ses compétences clés figurent l'intégration de nouveaux matériaux et la fabrication de composants compatibles CMOS de 300 mm.

Références

[1] P. Narang, C. A. C. Garcia, C. Felser, Nat. Mater. 20, 293 (2021).
[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, et C. Felser, Chem. Rev. 121, 2780 (2021).
[3] N. B. M. Schröter, [...], & C. Felser, Science 369, 179 (2020).
[4] M. Yao, [...], & C. Felser, Nat. Commun. 11, 2033 (2020).