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Stocker des données sur un aimant à un seul atome

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Des scientifiques d'IBM et de l'EPFL ont montré pour la première fois qu'il est possible de stocker des informations et de les récupérer sur des aimants constitués d'un seul atome. Cette percée a potentiellement des implications significatives pour la miniaturisation d'appareils à mémoire magnétique.

Puisque les supports de mémoire deviennent de plus en plus petits, on s'est demandé si l'unité de stockage élémentaire pourrait un jour être aussi petite qu'un seul atome. Un pas en avant dans cette direction a été fait en 2016, lorsque des scientifiques de l'EPFL ont démontré une rémanence magnétique pour un ensemble d'atomes d'holmium. Toutefois, cela laissait ouverte la question de savoir comment il serait possible de lire et d'écrire des informations sur ces aimants à un seul atome d'une manière comparable à ce qui se passe avec des disques durs conventionnels. Dans Nature où leur travail est publié, les scientifiques d'IBM et de l'EPFL ont démontré de manière concluante la lecture et l'écriture de données de et sur des aimants à un seul atome.

Des aimants à un seul atome

Quel est le plus petit aimant stable possible ? La réponse est dans un atome unique. Les scientifiques savent depuis longtemps que certains atomes sont magnétiques lorsqu'ils sont placés sur une surface au moyen d'une méthode appelée adsorption. Néanmoins, et malgré d'immenses efforts de recherche, la magnétisation d'atomes uniques n'était jamais suffisamment stable, en raison de fluctuations spontanées.

L'aspect essentiel ici est un phénomène nommé «rémanence magnétique», qui se réfère essentiellement à la capacité de l'atome à rester magnétisé, de la même manière qu'une barre aimantée, qui conserve ses pôles nord et sud sur la durée. Si nous voulons un jour construire des appareils de stockage à l'échelle de l'atome, la rémanence sera l'ingrédient central; il n'est en effet pas très utile d'encoder des données sur des supports qui perdront spontanément leurs informations.

Peut-on écrire des données sur un atome unique, et les lire ?

L'étude a été conduite par Fabian Natterer, dans le cadre d'une bourse SNF Ambizione (hébergée par le laboratoire de Harald Brune à l'EPFL). Guidés par des observations antérieures du laboratoire de Brune en 2016, Natterer et ses collègues chez IBM se sont attachés à décrire les propriétés des aimants à atome unique et à démontrer le contrôle des propriétés magnétiques dans le but de répondre à la question: si un aimant à atome unique peut effectivement être magnétisé, comment pouvons-nous l'encoder d'une manière significative ?

Les scientifiques ont examiné les atomes uniques d'holmium qu'ils avaient adsorbés sur une surface d'oxyde de magnésium. L'holmium est un métal du groupe des terres rares utilisé dans quelques-uns des aimants les plus puissants disponibles aujourd'hui.

Afin de pouvoir écrire et lire sur des aimants à atome unique, les scientifiques utilisent deux méthodes de haute précision basées sur un microscope à effet tunnel à balayage, qui consiste essentiellement en une pointe métallique acérée, de l'épaisseur d'un atome et qui est balayée le long d'une surface.

L'écriture a été réalisée avec un microscope à effet tunnel à balayage, en utilisant des impulsions électriques permettant aux électrons de pénétrer par effet tunnel à travers la pointe pour inverser la magnétisation des atomes d'holmium. Pour lire l'état des bits d'holmium, les scientifiques ont exploité un phénomène nommé «magnétorésistance à effet tunnel», qui leur a permis de voir la direction de la magnétisation des atomes d'holmium.

Ils ont également revérifié leurs résultats au moyen d'une technique novatrice, basée sur la résonance du spin de l'électron de l'atome unique, résultats qui sont publiés séparément dans un article de Nature Nanotechnology.

Sur la base de ces méthodes, les scientifiques ont montré comment la rémanence magnétique d'atomes uniques peut être utilisée pour y stocker de l'information. Les données sont restées stockées dans ces aimants à atome unique pendant plusieurs heures et ont montré que la mémoire à atome unique est donc possible.

«La technologie des disques durs conventionnels atteint une densité d'environ un Terabit par pouce carré; en utilisant des aimants à atome unique, nous pourrions atteindre une densité mille fois supérieure», dit Fabian Natterer. Mais quand cela sera-t-il possible ? «C'est difficile à dire. Mais les chiffres montrent déjà que nous sommes vraiment près de la limite fondamentale de la technologie de stockage classique, soit seulement trois ordres de grandeur supplémentaires.»

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Cette étude a été menée à l'IBM Almaden Research Center (San Jose, California). L'auteur principal vient de rejoindre l' Institut de Physique de l'EPFL dans le cadre d'une bourse Ambizione du Fonds National Suisse. L'étude a également reçu des contributions de l'University of Chinese Academy of Sciences, de l'Université de Göttingen (Allemagne), de l'Université de Zürich, du Center for Quantum Nanoscience (Seoul), et de l'Ewha Womans University (Seoul).

L'étude a été financée par l'Office of Naval Research, le Fonds National Suisse (FNS), la National Natural Science Foundation of China, le Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, et le German academic exchange service. 

Référence

Fabian D. Natterer, Kai Yang, William Paul, Philip Willke, Taeyoung Choi, Thomas Greber, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz. Reading and Writing Single-Atom Magnets.Nature 08 March 2017. DOI: 10.1038/nature21371



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