Au sein de la DRF, la recherche se focalise notamment sur trois défis fondamentaux : optimiser l'efficacité énergétiques des dispositifs, accélérer la performance des systèmes de communication et de mémoire, ainsi qu'exacerber la précision des dispositifs de détection. Ces axes de recherches, portés essentiellement par l'irig et l'Iramis, illustrent l'engagement de la DRF à pousser les frontières de la technologie actuelle, visant non seulement à minimiser l'empreinte énergétique des technologies futures mais aussi à maximiser leur rapidité et leur sensibilité.
Ainsi, la manipulation des spins ouvre de nouvelles voies pour de nombreuses applications et voit apparaître de nouveaux champs. Il s'agit par exemple de la spintronique topologique, la magnonique (utilisant davantage les ondes de spin que le spin lui-même), le pompage de courant de spin, la spintronique ultra rapide, le développement de nouveaux matériaux (matériaux 2D, multiferroïque), les skyrmions. Pour cela, les équipes de la DRF couvrent un large spectre d'activités depuis la conception de matériaux et la maitrise des processus fondamentaux (dynamique d'aimantation, transfert de spin, conversion charge-spin) jusqu'à l'intégration des technologies dans des circuits intégrés.
La spintronique comme vecteur de frugalité, rapidité et sensibilité
Les développements de la DRF portent sur des concepts avancés de stockage et de traitement de l'information, les mémoires magnétiques, les composants radiofréquences et les capteurs, en considérant trois enjeux fondamentaux :
- La frugalité de l'électronique et de l'informatique de demain, avec la non-volatilité du magnétisme et le contrôle très efficace des courants de spin ;
- La rapidité des communications et des mémoires, par le contrôle ultrarapide de l'aimantation avec des champs magnétiques, des lasers ou des courants ;
- La miniaturisation et la sensibilité de détection des capteurs magnétiques, grâce à l'association de la spintronique et de la magnétorésistance tunnel, avec un énorme potentiel d'applications (depuis l'IRM et la RMN, le biomagnétisme, les biopuces, l'imagerie magnétique locale ou les capteurs bas coût pour de multiples marchés comme l'automobile).
Les perspectives de la spin-orbitronique pour les mémoires magnétiques
La manipulation des spins par des champs électriques est un domaine d'avenir car elle offre de nombreux avantages potentiels en termes d'efficacité énergétique, de rapidité de traitement, de couplage avec l'électronique et de miniaturisation des dispositifs. Le couplage spin-orbite c'est-à-dire l'interaction entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et son mouvement orbital autour du noyau atomique permet cette manipulation électrique des spins. Cette nouvelle voie pour le traitement de l'information est appelée la spin-orbitronique.
Ses avancées sur le contrôle du couplage spin-orbite, afin de réduire la consommation des dispositifs, ont atteint un niveau de maturité suffisant. A moyen terme, la maîtrise du couplage spin-orbite pourrait conduire à une nouvelle génération de mémoires magnétiques (MRAM) frugales, rapides, denses et endurantes et à des calculateurs ultra basse consommation. Dans cette optique, de nouvelles générations de mémoires magnétiques sont en cours de développement spécifiquement pour les applications de type mémoire embarquée. De plus, des mémoires magnétiques ultra-rapides, utilisant le retournement d'aimantation optique à l'échelle de la femtoseconde, sont actcuellement à l'étude et des preuves de concept ont vu le jour ces derniers mois.
Le pari des structures chirales à haute efficacité énergétique
Des avancées sont également attendues dans le domaine des composants spintroniques exploitant des structures chirales comme les skyrmions pour atteindre une efficacité énergétique plus élevée. Ces développements nécessitent une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués. C'est pourquoi de nouveaux paradigmes sont à explorer, en particulier dans le domaine des composants spintroniques exploitant des structures chirales à haute efficacité énergétique. Des approches novatrices basées sur le contrôle ferroélectrique du couplage spin-orbite seront également étudiées dans le but de réduire drastiquement la consommation d'énergie des dispositifs.
De nouvelles architectures pour le calcul
A plus long terme, de nouvelles architectures spintroniques couplant processeurs et mémoires comme les accélérateurs neuromorphiques ou les architectures bio-inspirées ont le potentiel d'être très efficients en terme énergétique. Ces architectures pourraient dérouler des algorithmes d'intelligence artificielle en étant implémentés de façon native dans l'architecture du dispositif lui-même. Ils pourraient également améliorer l'efficacité de l'informatique en réseau (cloud computing) en assurant des pré-traitements avancés en local au plus près de la production des données à traiter, avant la mise en réseau réduisant d'autant les flux d'information à transmettre et traiter (edge computing).