Le laser reproduit des paysages magnétiques à l'échelle

Lauren Riddiford, AleÅ¡ Hrabec et Jeffrey Brock (de gauche à droite) dans la salle blanche du Park Innovaare – juste à côté du PSI. C'est ici que sont créées et modifiées précisément de nouvelles structures magnétiques à l'aide de lasers. © Paul Scherrer Institut PSI / Mahir Dzambegovic

De la lumière laser à la flocon de neige : cette structure magnétique a été créée au PSI à l'aide d'un laser industriel – non pas pour la décoration, mais comme démonstration d'une modification précise du matériau avec un potentiel pour le stockage de données, l'IA et la photonique. © Paul Scherrer Institut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Les chercheurs du Paul Scherrer Institut PSI ont réussi, en collaboration avec le National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, Colorado, pour la première fois, à faire varier en continu les propriétés magnétiques des matériaux en deux dimensions à l’aide de technologies laser existantes. La méthode simple et rapide devrait permettre une multitude d’applications, notamment de nouvelles techniques de stockage et de traitement des données.

Il arrive parfois d’obtenir des résultats étonnants en utilisant des outils traditionnels d’une manière nouvelle. C’est ce qui est arrivé aux chercheurs lorsqu’ils ont utilisé l’équipement laser de haute technologie en salle blanche au PSI pour une tâche pour laquelle il n’était pas prévu. À l’origine, il avait été acheté pour la photolithographie – une technique permettant de produire de minuscules structures en 2D. Normalement, le laser expose une couche photosensible avec une intensité lumineuse variable, créant ainsi différents niveaux d’exposition, appelés aussi niveaux de gris. La lithographie en niveaux de gris forme un relief tridimensionnel qui peut ensuite être transféré sur le matériau souhaité. Un domaine d’application important de cette technique est la micro-optique moderne, car elle permet par exemple de fabriquer des lentilles pour smartphones.

« Nous utilisons cet outil pour autre chose que sa fonction initiale », explique Aleš Hrabec : « Nous y créons des variations continues en deux dimensions des propriétés magnétiques dans des matériaux, ce qui est important pour une multitude d’applications. » Hrabec est chercheur dans le groupe des systèmes mésoscopiques, dirigé par Laura Heyderman, qui appartient au PSI et à l’ETH Zurich. Par « mésoscopique », les chercheurs désignent des systèmes à l’échelle de quelques micromètres. Pour comparaison : un cheveu humain a un diamètre d’environ 100 micromètres, soit plusieurs fois plus grand.

Une idée folle qui fonctionne

Pour modifier les propriétés magnétiques d’un matériau, on peut par exemple le chauffer dans un four. Mais cela modifie toute l’échantillon. En cherchant une méthode pour des modifications localisées, les chercheurs du PSI ont eu l’idée d’insérer une fine couche d’un matériau magnétique sans couche photosensible dans l’équipement de lithographie existant. « C’était une idée folle, c’est pourquoi j’ai été très surpris que cela ait fonctionné du premier coup », raconte Lauren Riddiford, postdoctorante dans le groupe des systèmes mésoscopiques : « Lorsque nous avons observé le contraste magnétique sous un microscope spécial, nous avons immédiatement vu les variations continues des propriétés magnétiques. »

Le laser fonctionne en principe comme un four, mais son effet modifie précisément les propriétés magnétiques à un endroit donné. En balayant la surface de l’échantillon avec le laser, on module l’intensité lumineuse selon le besoin. Ainsi, de très petites zones, ne mesurant que 150 nanomètres, sont chauffées. La méthode s’appelle « Direct-Write Laser Annealing », abrégée DWLA, ce qui pourrait se traduire par « laser d’écriture directe ». Grâce à ce chauffage ciblé, un matériau peut changer localement – il s’oxyde, cristallise ou deux métaux peuvent être alliés. Cela permet de modifier la force ou la dépendance à la direction de la magnétisation, ainsi que d’influencer l’interaction à la frontière entre deux matériaux.

Cette approche locale et graduelle permet de créer de manière unique ce que l’on appelle des gradients des propriétés magnétiques, qui peuvent prendre la forme souhaitée. Jusqu’à présent, seuls des gradients unidimensionnels latéraux de telles propriétés étaient possibles. Désormais, des cercles, spirales ou des structures encore plus complexes sont réalisables, comme le démontre Riddiford dans une vidéo montrant la formation d’une structure magnétique en forme de flocon de neige. « Lorsque nous appliquons un champ au spécimen traité, la magnétisation au centre change d’abord de direction, passant de vers le haut à vers le bas. Si le champ devient plus fort, cette inversion se propage radialement », explique la chercheuse. Dans les zones autour du flocon de neige, le matériau a été chauffé suffisamment pour ne plus être magnétique.

Plus rapide, plus efficace et plus sûr

Les chercheurs ne visent pas seulement de belles images, mais des applications concrètes, par exemple dans la technologie de stockage des données. Les petits aimants sont utilisés depuis longtemps pour sécuriser les données sur les disques durs d’ordinateurs. Selon la direction du pôle d’un aimant, cela correspond à un 1 ou un 0, c’est-à-dire à la valeur d’un bit. Au-dessus du disque rotatif se trouve une bobine qui lit et écrit l’information à l’aide d’un champ magnétique. « Avec notre technique, nous voulons déterminer quels matériaux et quelles propriétés magnétiques conviennent le mieux à la fabrication de mémoires sans pièces mobiles et sans nécessiter l’utilisation de champs magnétiques », explique Jeffrey Brock, également postdoctorant dans le groupe des systèmes mésoscopiques.

Grâce aux variations continues des propriétés magnétiques dans le média de stockage, il n’est pas nécessaire d’utiliser un champ magnétique pour changer la magnétisation des bits. On peut utiliser un courant électrique pour écrire et lire l’information. De tels éléments de stockage existent déjà. « Nous pensons cependant que notre approche de modification locale des propriétés du matériau est beaucoup plus simple et rapide que les technologies actuelles pour créer de tels motifs », indique Brock. Les mémoires alimentées par courant sont plus rapides et permettent de stocker davantage de données dans un espace réduit. Les chercheurs souhaitent également appliquer cette méthode à une classe de matériaux spécifique, les antiferromagnétiques synthétiques. Cela rendrait le stockage des données plus durable et plus sûr, car ce matériau est immunisé contre un champ magnétique externe.

Calcul et stockage sur la même puce

Une autre application possible est le calcul en mémoire – le traitement et le stockage des données se font sur un même chip. Dans les appareils électroniques actuels, les données sont constamment transférées entre le processeur rapide et la mémoire beaucoup plus lente, ce qui consomme beaucoup de temps et d’énergie. L’utilisation d’un seul chip accélérerait considérablement l’accès aux données.

Il y a déjà quatre ans, une collaboration de recherche du PSI et de l’ETH Zurich a réussi pour la première fois à effectuer des opérations logiques dans un matériau magnétique où les données peuvent également être stockées – une invention qui a également été brevetée. Mais le matériau utilisé jusqu’ici ne convient pas aux procédés de fabrication standard dans l’industrie des puces. « Nous espérons pouvoir fabriquer un matériau magnétique compatible avec ces processus grâce à la technologie laser », indique Hrabec.

Un autre domaine de recherche émergent est le calcul neuromorphe – une forme de traitement de données inspirée du cerveau et du réseau de neurones. Par exemple, de minuscules aimants pourraient interagir dans différentes configurations comme les neurones dans leur réseau. « Le cerveau n’est pas non plus composé d’un matériau simple », explique Hrabec : « C’est pourquoi, pour cette application, on ne peut pas simplement utiliser une fine couche d’un seul matériau magnétique comme le cobalt, mais il faut quelque chose de plus complexe. » Une tâche idéale pour la nouvelle technologie laser, qui permet de créer des paysages magnétiques variés.

Hrabec est convaincu que le travail de l’équipe de recherche ouvrira encore de nombreuses autres applications, par exemple dans le domaine des capteurs ou de la photonique, où la lumière est utilisée pour transmettre des informations. En effet, grâce à la chaleur laser et à la cristallisation du matériau, on peut modifier l’indice de réfraction et donc les propriétés optiques d’un matériau. Le grand avantage du rayonnement laser : l’appareil utilisé est un équipement commercial déjà présent dans de nombreux laboratoires à travers le monde. Il ne nécessite ni vide ni conditions particulières. Cela permet également d’obtenir en quelques secondes ce qui prendrait des heures dans un four. « La grande force de cette technique est qu’elle est économique, rapide et facilement accessible », résume Hrabec.