Des cristaux de terres rares pour l’électronique du futur

29. mars 2022 | Technologies

La spintronique est considérée être une technologie d’avenir très prometteuse, mais la recherche n’en est qu’à ses débuts. Sur la base de cristaux en atomes de terres rares, des scientifiques viennent de développer un de ses composants décisifs.

La spintronique pourrait bien être la prochaine génération de l’électronique et permettre le développement d’ordinateurs considérablement plus puissants et moins gourmands en énergie que ceux d’aujourd’hui. Alors que l’électronique des semi-conducteurs actuelle repose sur la charge électrique et le mouvement des électrons, la spintronique exploite leur rotation, ce qu’on appelle le spin. Cette rotation de l’électron sur lui-même est responsable d’un moment magnétique qui peut être mis en œuvre pour traiter des informations.« On peut s’imaginer les spins comme de minuscules aiguilles magnétiques qui sont fixées aux atomes d’un réseau cristallin et qui communiquent entre elles », explique Cornelius Krellner, professeur de physique expérimentale à l’université Goethe de Francfort. La manière dont ces aiguilles magnétiques réagissent entre elles dépend du matériau utilisé et de ses propriétés.

Jusqu’à présent, on s’est servi pour les essais spintroniques essentiellement de matériaux ferromagnétiques dont les aiguilles magnétiques sont orientées de préférence dans une même direction. Mais les antiferro-aimants offrent des possibilités potentiellement encore plus grandes. Dans cet environnement, les spins voisins s’orientent dans des directions opposées, ce qui favoriserait un basculement plus rapide et efficace. En coopération avec plusieurs autres universités européennes, le professeur Krellner a maintenant produit de tels antiferro-aimants sous la forme de cristaux. Ils sont fabriqués à partir de terres rares dont les atomes relativement lourds affichent de forts moments magnétiques et constituent donc des candidats intéressants pour la spintronique.

Dans le cadre de leurs recherches qui ont été publiées dans Nature Materials, les scientifiques ont examiné sept matériaux contenant divers atomes de terres rares, de l’holmium au praséodyme. La difficulté que présente la production de matériaux spintroniques est qu’elle requiert des « cristaux parfaits et sur mesure », explique le communiqué de l’université de Francfort. La plus petite irrégularité compromet l’ordre magnétique général. Le professeur Krellner précise que les procédés classiques de cristallisation n’étaient pas adaptés à la fabrication des cristaux recherchés. Les terres rares fondent en effet à env. 1000 °C, le métal précieux qu’est le rhodium à seulement 2000 °C.

La solution : l’indium

Les chercheurs ont alors utilisé l’indium, un métal technologique, comme solvant : à une température de 1500 °C, aussi bien les terres rares que le rhodium et le silicium s’y dissolvent. Après que la température a été maintenue pendant environ une semaine puis la solution refroidie par étape, on assiste à la formation de cristaux. Un examen radiographique a clairement montré que les atomes de terres rares y réagissaient très rapidement à une aimantation. L’intensité de cette réaction peut même être ajustée de manière ciblée.

La technologie n’est toutefois pas encore prête à être commercialisée. En effet, jusqu’à présent, les cristaux n’affichent leurs propriétés magnétiques qu’à des températures inférieures à -170 °C. Il faudra donc poursuivre les recherches afin qu’un jour ces cristaux en terres rares puissent être inclus dans une nouvelle puce informatique.

Photo: iStock/metamorworks

énergies renouvelables 2030