« Tous les disques durs produits depuis 1998 exploitent la spintronique, laquelle a donc contribué à la naissance de notre ère digitale », fait remarquer Jeff Childress, expert technologique d’Allegro Microsystems, qui développe notamment des capteurs magnétiques.
Ce rappel, fait lors du du lancement officiel du PEPR Spin (programme et équipements prioritaires de recherche), ce lundi 29 janvier 2024 à la Maison Minatec de Grenoble, met en valeur une discipline scientifique encore méconnue mais appelée à prendre encore plus d'ampleur. C’est l’objectif de ce programme de recherche exploratoire copiloté par le CNRS et le CEA, qui bénéficie d’un budget de 38,13 millions d’euros, étalé sur huit ans.
Tandis que l’électronique ne repose que sur la charge électrique de l’électron, la spintronique exploite en plus à une propriété purement quantique de l'électron : son spin, que l'on peut comparer à un moment magnétique intrinsèque, dont l’orientation interagit avec la conduction électrique.
Déjà une réalité industrielle
Entre autres qualités, la spintronique offre « une très faible consommation énergétique et une dynamique ultra-rapide de l’ordre de la nanoseconde, voire de la femtoseconde », partagent sur scène les directeurs du programme Vincent Cros et Lucian Prejbeanu. Ce sont des impératifs pour que les technologies numériques continuent à monter en puissance sans consumer les ressources énergétiques et matérielles de la planète. Le tout dans le contexte indéniable du réchauffement climatique.
Les têtes magnétorésistives des disques durs, qui ont permis de quasi-décupler la densité de stockage il y a plus de 20 ans, ont été la première réalisation concrète de la spintronique. La magnétorésistance géante à l’origine de ce bond en avant a été découverte par le physicien Albert Fert, colauréat avec Peter Grünberg du prix Nobel de physique en 2007, et présent hier à Grenoble.
Les deux autres grandes applications actuelles sont les capteurs magnétiques et les mémoires magnétiques. Ces dernières sont industrialisées depuis 2019 par les fondeurs TSMC, GlobalFoundries, Intel et Samsung. Elles sont à l’œuvre dans l’automobile, le spatial – industrie qui apprécie leur immunité aux rayonnements ionisants - ou encore l’IoT.
Skyrmions et magnons
D’autres applications de la spintronique sont envisageables dans les communications sans fil et le calcul. « Le but du PEPR est d’identifier les plus intéressantes pour les pousser », précise Bernard Diény, directeur scientifique du Spintec, laboratoire de recherche en spintronique, situé à quelques pas de la Maison Minatec.
Le projet Chirex, par exemple, vise à explorer le potentiel des skyrmions magnétiques, des structures topologiques nanométriques très stables, pour construire une architecture neuromorphique combinant calcul et stockage d’informations. L’émission d’ondes térahertz par des dispositifs spintroniques est au cœur du projet Toast, tandis que le projet Swing s’intéresse au traitement de signal grâce aux ondes de spin, des quasi-particules appelées magnons. Les TRL se situent entre 1 et 4. « Ce sont des projets high risk, high gain (très risqués mais à forte valeur ajoutée s’ils aboutissent, ndlr) », reconnaît Lucian Prejbeanu.
Deux autres projets abordent des thématiques moins émergentes : la génération et la détection de micro-ondes par des nano-oscillateurs spintroniques (Spincom), ainsi que la conception de capteurs magnétiques beaucoup plus performants que l’état de l’art (Adage). Ces cinq projets ciblés auront une durée de quatre ans, pour être alignés avec les résultats du PEPR Electronique. Du reste, la visite du Spintec permet de croiser le chercheur Kevin Garello, copilote du projet Emcom impulsé par ce programme de recherche.
Le futur de la mémoire magnétique
Kevin Garello travaille sur des mémoires magnétiques de nouvelle génération pour le calcul embarqué, reposant sur un couplage spin-orbite au lieu du mécanisme de transfert de spin des mémoires actuelles. « L’objectif est de miniaturiser ces mémoires pour obtenir une taille de l’ordre de 10 nanomètres, et d’arriver à un temps de commutation de 10 picosecondes », explique-t-il. Ce qui serait 1000 fois plus rapide que l’existant.
Huit autres projets devraient rejoindre le PEPR Spin à partir de mars prochain, par l’intermédiaire d’un appel à projets ouverts. « On ne voulait pas cloisonner ce programme de recherche dès le départ, justifie Vincent Clos. On se donne ainsi des chances de l’élargir à de nouvelles physiques. » Près d’un tiers du budget alloué au PEPR Spin servira aussi à financer trois projets transverses pour renforcer les infrastructures dans le domaine des matériaux, de la caractérisation et de la théorie.
A ce titre, une salle complète du laboratoire Spintec est dans l’attente d’une ligne pilote réservée à la spintronique, pour fabriquer et analyser des wafers de 200 millimètres jusqu’à l’échelle du composant. Un équipement de dépôt par pulvérisation cathodique, d’un coût de 4,5 millions d’euros, sera livré en juin prochain pour être mis en service en fin d’année.
La deeptech Nellow pour industrialiser Feso
Et que serait un programme de recherche sans une start-up deeptech ? Celle-ci s’appelle Nellow, entraperçue l’an dernier au lancement du PEPR Electronique sous le nom d’Aramis Computing. Ses cofondateurs (Jean-Philippe Attané, Laurent Vila et Manuel Bibes) entrevoient une création officielle en septembre prochain, suivie d’une levée de fonds de 10 millions d’euros en 2025.
Nellow, aboutissement de 15 ans de r&d au laboratoire Spintec et l’unité mixte de physique CNRS/Thalès (désormais laboratoire Albert Fert), entend industrialiser le composant Feso (ferroelectric spin orbit), qui mêle ferroélectricité et couplage spin-orbite. Ce composant à l’ultra-basse consommation énergétique pourrait ni plus ni moins remplacer le traditionnel transistor dans les puces et mémoires électroniques, à l’horizon 2035.
