Ce qui se passe dans la tête (de lecture) d'un ordinateur

Au cours des dernières années, c'est en grande partie grâce à un effet appelé magnétorésistance géante par les physiciens que les ordinateurs et les lecteurs MP3 ont pu devenir si petits et si performants. En se fondant sur cet effet, dont la découverte a été récompensée en 2007 par le prix Nobel de physique, on peut fabriquer des composants électroniques dont la résistance électrique réagit de manière très sensible à des champs magnétiques externes. L'utilisation de cet effet dans des têtes de lecture magnétiques permet d'augmenter la densité de stockage des données à codage magnétique et de réduire ainsi fortement la taille du disque dur. Sans cet effet, il ne serait pas possible de stocker dans un appareil de la taille d'un demi-paquet de cigarettes autant de données que sur plus de 100 CD.

La spintronique – électronique de spin

À la différence de la plupart des composants électroniques, dans les têtes de lecture on n'utilise pas uniquement la charge électrique des électrons qui constituent le courant électrique, mais également leur spin – la rotation des électrons sur eux-mêmes qui leur permet de se transformer en minuscules aimants. Les têtes de lecture font ainsi partie du domaine émergent de la spintronique explique l'initiateur du projet de recherche, Alan Drew, de l'université de Fribourg (Suisse) et de Queen Mary, University of London. Le terme technique utilisé pour ces composants est Spin Valve , ce que l'on pourrait traduire par valve à spin . Une telle valve est composée au minimum de trois couches : deux couches magnétiques externes, séparées par une couche non magnétique. L'une des couches magnétisables est magnétisée dans une direction définie, la magnétisation des autres s'adapte au champ magnétique externe. Si un courant électrique passe entre les deux couches, une résistance plus faible est engendrée lorsque les deux couches sont aimantées de façon parallèle, car la première couche impose aux spins des électrons une orientation qu'ils peuvent conserver dans la deuxième couche. Si l'aimantation des couches est différente, les électrons atteignent la deuxième couche avec des spins mal orientés. S'ils conservent l'orientation de leur spin, ils n'avancent guère ; si le spin se renverse, cela entraîne une dépense d'énergie – dans les deux cas, cela se manifeste sous forme d'une résistance électrique supplémentaire.

Des particules instables fournissent des informations sur les champs magnétiques

Mais cela ne fonctionne que tant qu'il n'y a pas trop de spins qui se renversent d'eux-mêmes sur le parcours pour permettre aux spins à orientation aléatoire d'atteindre la deuxième couche. Drew a cherché à connaître l'importance de cet effet pour la qualité des têtes de lecture et il a, dans ce but, réalisé une série d'expériences avec des collègues du PSI. Ils voulaient observer combien de ces spins d'électrons se renversaient de manière aléatoire en traversant la couche intermédiaire. Ils ont alors profité du fait que les spins génèrent conjointement un champ magnétique qui sera d'autant plus fort qu'ils sont ordonnés de manière homogène. Ils ont utilisé des muons – des particules élémentaires instables, qui ressemblent aux électrons, mais qui sont beaucoup plus lourds – pour servir de sondes destinées à mesurer des champs magnétiques à l'intérieur de la couche. Si on introduit un tel muon dans un champ magnétique, il commence à entrer en rotation, et ce d'autant plus vite que le champ est fort. Après quelques millionièmes de secondes, le muon se décompose en plusieurs particules, dont une vole dans la direction définie par le spin du muon et peut être ainsi repérée par un détecteur. En observant la direction prise dans des milliers de cas, on peut en déduire la vitesse de rotation des muons et, par conséquent, quantifier le champ magnétique local.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont construit une tête de lecture particulière avec une couche intermédiaire organique, composée d'une matière synthétique conductrice. Il s'agit de matières synthétiques flexibles et faciles à travailler, de sorte qu'elles pourraient à l'avenir révolutionner l'électronique a expliqué Drew. De plus, elles nous ont permis de mener à bien notre expérience, car dans un tel corps conducteur organique, les spins se renversent beaucoup moins vite que dans un environnement classique, de sorte que nous avons eu suffisamment de temps pour observer le champ magnétique .

Il n'y a qu'en Suisse qu'ils sont suffisamment lents

Ce qui dans le principe semble simple, nécessite en réalité d'immenses moyens. De telles expériences ne peuvent être menées qu'au PSI, car nous sommes les seuls à pouvoir produire les muons extrêmement lents qui restent coincés dans les couches minces de notre tête de lecture. Les muons utilisés pour d'autres expériences sont tellement rapides qu'ils ne feraient que traverser notre échantillon explique le physicien Elvezio Morenzoni, qui s'occupe de l'installation concernant les muons à l'institut Paul Scherrer. Mais au PSI aussi, les muons sont initialement très rapides. Ils sont produits par l'accélérateur de protons de l'institut Paul Scherrer, dans lequel on commence par accélérer un faisceau de protons aux trois quarts de la vitesse de la lumière, qui va ensuite entrer en collision avec une plaque de carbone , ce qui va générer des particules qui vont finalement se décomposer en muons. Puis on freine les muons par une méthode unique dans une couche mince composée d'un gaz inerte gelé, pour les accélérer à nouveau à la vitesse inférieure souhaitée. En variant cette vitesse, on peut même définir à quelle profondeur les muons restent coincés dans l'échantillon et obtenir ainsi les champs magnétiques à diverses profondeurs.

Résultat : le désordre nuit

Ces premières expériences ont montré que la qualité de fonctionnement d'une tête de lecture dépendait également de la proportion dans laquelle les électrons perdaient leur orientation de spin, c'est-à-dire dans quelle mesure la résistance dépendait du champ magnétique. Mais cela a avant tout permis de montrer que les expériences relatives aux muons pouvaient aider à comprendre les processus dans les composants spintroniques. Cela ne deviendra probablement jamais une méthode standard pour l'examen de composants industriels, la méthode étant trop élaborée souligne Morenzoni mais elle contribuera certainement à appréhender des problèmes fondamentaux et à apporter ainsi des informations à l'industrie sur la manière de poursuivre le développement des composants .

Sur l'Institut Paul Scherrer

L'Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté internationale des chercheurs. Les recherches phares de l'Institut sont la recherche dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules élémentaires, de la biologie et de la médecine, de l'énergie et de l'environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d'environ 260 mio. de CHF, le PSI est l'institut de recherche le plus important de Suisse.

Quelque 10'000 étudiant-e-s et plus de 200 professeur-e-s issus de près de 100 pays étudient, enseignent et font des recherches dans les cinq facultés de l'Université de Fribourg. La Faculté des Sciences a quant à elle une longue tradition d'excellence en recherche sur les nano-matériaux dont le Fribourg Center for Nanomaterials (Frimat) ainsi que l'Adolphe Merkle Institute, créés récemment, en sont les fleurons.