Au-delà du 0 et du 1 : un matériau capable de stocker quatre états magnétiques

Des expériences aux neutrons révèlent comment un matériau ferrotoroïdique peut stocker l'information dans quatre états magnétiques distincts, ouvrant la voie à de futures technologies de mémoire à capacité de stockage accrue.

Le besoin de nouvelles méthodes de stockage de l'information

Chaque e-mail que nous envoyons, chaque photo que nous prenons ou chaque fichier que nous sauvegardons repose en fin de compte sur un principe simple : l'information est stockée à l'aide de deux états, 0 et 1. Pendant des décennies, les avancées en électronique ont permis d'entasser toujours plus de ces bits dans des appareils toujours plus petits et plus rapides, suivant la tendance connue sous le nom de loi de Moore (l'observation selon laquelle le nombre de transistors — ces petits commutateurs électroniques qui traitent et stockent l'information — sur une puce électronique double approximativement tous les deux ans).

Aujourd'hui, cependant, cette tendance commence à ralentir, car les composants électroniques approchent des limites physiques fondamentales. En conséquence, les scientifiques explorent de nouvelles façons de stocker et de traiter l'information qui vont au-delà de la technologie des semi-conducteurs conventionnels.

Une piste prometteuse est la spintronique, un domaine émergent qui exploite les propriétés magnétiques des électrons en plus de leur charge électrique pour encoder l'information. Dans de nombreux matériaux, certains atomes se comportent comme de minuscules aimants. Les scientifiques décrivent ces aimants atomiques à l'aide d'une grandeur appelée moment magnétique, qui nous indique leur intensité et la direction dans laquelle ils pointent. Lorsque de nombreux atomes interagissent au sein d'un matériau, ces minuscules aimants peuvent s'organiser en différents motifs, chacun correspondant à un état magnétique différent. En particulier, les matériaux connus sous le nom de magnétoélectriques possèdent une propriété remarquable : leurs états magnétiques peuvent être contrôlés à l'aide de champs électriques. Ce couplage entre propriétés électriques et magnétiques pourrait permettre des technologies de mémoire plus rapides et plus économes en énergie. Certains matériaux magnétoélectriques présentent également un type d'ordre moins familier, connu sous le nom d'ordre toroïdique. Dans ces matériaux, les aimants atomiques forment un motif en vortex, créant ce que l'on appelle un moment toroïdique. Cette propriété permet de contrôler l'état magnétique en combinant des champs électriques et magnétiques.

Une perspective encore plus intrigante est la possibilité d'aller au-delà de la logique binaire. Certains matériaux peuvent stabiliser plus de deux états magnétiques, ce qui signifie qu'une seule unité de mémoire pourrait stocker plusieurs valeurs au lieu de simplement 0 ou 1. De tels concepts de mémoire multi-états pourraient augmenter considérablement la densité d'information, une perspective attrayante alors que la quantité de données numériques ne cesse de croître.

Un cristal à quatre états magnétiques

Dans une étude récente, des chercheurs ont étudié un cristal magnétoélectrique composé de lithium, de nickel, de fer et de phosphate (LiNi₀,₈Fe₀,₂PO₄). Dans ce matériau, les minuscules aimants atomiques s'organisent selon un motif particulier où les aimants voisins pointent dans des directions opposées — un type d'ordre magnétique connu sous le nom d'antiferromagnétisme. Leur arrangement dans l'espace crée également un moment toroïdique, ce qui signifie que les aimants atomiques forment un motif circulant à l'intérieur du cristal.

Les matériaux antiferromagnétiques suscitent un intérêt croissant pour les futures technologies spintroniques. Étant donné que leurs aimants atomiques pointent dans des directions opposées et se compensent mutuellement, ils ne produisent aucun champ magnétique global, ce qui les rend moins sensibles aux perturbations extérieures et permet de regrouper les dispositifs plus étroitement. Un autre atout est que l'état magnétique peut changer extrêmement rapidement dans ces matériaux, ce qui pourrait être utile pour le traitement ultrarapide de l'information.

À très basses températures, les moments magnétiques de ce cristal peuvent s'organiser selon quatre motifs distincts, chacun représentant un état magnétique différent du matériau. Ces états résultent d'une légère rotation spontanée des aimants atomiques à l'intérieur du cristal, qui permet à la structure magnétique de se stabiliser dans quatre configurations distinctes.

Étant donné que les quatre états sont stables et peuvent être contrôlés à l'aide de champs électriques et magnétiques externes, ils pourraient en principe être utilisés pour représenter quatre valeurs différentes au lieu de deux seulement (les 0 et 1 actuellement utilisés dans la plupart des technologies de stockage de données). Cela fait de ce matériau un système modèle intéressant pour explorer le concept de mémoire à quatre états, ou mémoire quaternaire.

Pour comprendre comment ces états magnétiques se forment et comment ils peuvent être contrôlés, les chercheurs ont eu recours à un outil puissant permettant de sonder le magnétisme à l'échelle atomique : la diffusion de neutrons.

Comment les neutrons révèlent la structure magnétique

Les neutrons sont particulièrement bien adaptés à l'étude du magnétisme à l'intérieur des matériaux. Bien que les neutrons ne portent aucune charge électrique, ils se comportent comme de minuscules sondes magnétiques car ils possèdent leur propre moment magnétique. Lorsqu'un faisceau de neutrons traverse un cristal, il interagit avec les aimants atomiques à l'intérieur du matériau. À l'aide d'une technique appelée polarimétrie neutronique sphérique, les scientifiques mesurent comment cette interaction modifie la direction des moments magnétiques des neutrons. Cela leur permet de déterminer comment les aimants atomiques sont arrangés à l'intérieur du matériau.

Les expériences de diffusion de neutrons ont montré que le cristal peut effectivement stabiliser quatre états magnétiques distincts. De plus, en appliquant des champs électriques et magnétiques lors du refroidissement de l'échantillon, les chercheurs ont pu contrôler lequel des quatre états se formait.

De manière importante, une fois qu'un état était formé, il restait stable à température constante même après le retrait des champs électriques et magnétiques externes. Cette propriété, connue sous le nom de comportement non volatil, est essentielle pour les technologies de mémoire, où l'information doit rester stockée sans alimentation électrique continue.

Bien que le matériau étudié ici fonctionne à très basses températures (en dessous de –200 °C), il constitue une preuve de concept importante. En démontrant que quatre états magnétiques peuvent être stabilisés et identifiés dans un seul matériau, ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour le développement de futurs dispositifs spintroniques capables de stocker davantage d'informations que les mémoires binaires conventionnelles.

Vers des technologies de mémoire au-delà du binaire

Si les dispositifs pratiques basés sur ce concept restent un objectif à long terme, cette étude souligne comment la recherche fondamentale peut révéler de nouvelles possibilités pour les futures technologies de l'information. En étudiant les matériaux magnétoélectriques et toroïdiques à l'aide de techniques neutroniques avancées, les scientifiques peuvent explorer comment les états magnétiques émergent et comment ils peuvent être contrôlés à l'échelle atomique.

Ces travaux illustrent également le rôle unique de la diffusion de neutrons dans l'étude du magnétisme. Étant donné que les neutrons interagissent directement avec les moments magnétiques à l'intérieur des matériaux, ils offrent un moyen puissant de révéler des structures magnétiques qui sont autrement difficiles à observer.

À mesure que les chercheurs continuent de rechercher de nouveaux matériaux aux propriétés similaires, idéalement fonctionnant à des températures plus élevées, de telles études pourraient contribuer à guider le développement de technologies de mémoire de nouvelle génération offrant une capacité de stockage accrue.

Référence:
N. Qureshi, A. Painganoor, M. C. Larsen, M. Ravn-Feld, K. Beauvois, J. A. Rodríguez-Velamazán, D. Vaknin, P. Steffens, R. Toft-Petersen, and N. B. Christensen. Toroidicity as a route towards non-volatile quaternary memory in antiferromagnets. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70767-8
Instrument ILL: D3
Contact ILL: Navid Qureshi
Institutions impliquées dans la recherche: Technical University of Denmark, Université Grenoble Alpes, Iowa State University, European Spallation Source