La France s'appuie depuis plusieurs décennies sur un écosystème de recherche de premier plan en spintronique. Il rassemble notamment le CEA-Irig/SPINTEC à Grenoble, le Laboratoire Albert Fert à Palaiseau, le SPEC à Saclay et l'Institut Jean Lamour à Nancy.
Depuis 2023, le Programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR)
SPIN, financé dans le cadre de
France 2030, fédère 47 laboratoires et 30 établissements partenaires autour d'un objectif commun : développer de nouveaux matériaux, composants et architectures de calcul pour contribuer à une électronique plus sobre en énergie.
À l'échelle européenne, des initiatives telles que
SpinFactory et le projet
JU Chips Spin-Chip viennent renforcer cette dynamique, en favorisant les collaborations entre laboratoires de recherche, plateformes technologiques et industriels.
Dans un contexte où l'explosion de l'IA réclame toujours plus de puces, de mémoires, de centres de données et d'électricité, le dossier consacré au magnétisme rejoint cette révolution. La spintronique, née notamment des travaux d'Albert Fert, exploite le spin de l'électron – sorte de mini-aimant – pour stocker et traiter l'information. Elle pourrait demain rapprocher mémoire et calcul, et rendre certaines architectures informatiques moins énergivores.
Plusieurs articles dans ce numéro spécial sont rédigés par des membres de la communauté SPIN, dont des chercheurs du CEA-Irig/SPINTEC (Vincent Baltz, Hélène Béa, Claire Baraduc, Kevin Garello, Lucian Prejbeanu).
Le magnétisme dans tous ses états
Un aimant n'est pas seulement un morceau de fer attirant les objets métalliques. À l'échelle atomique, les spins s'organisent selon une variété de motifs, donnant naissance à toute une famille d'ordres magnétiques. Un terrain fertile propice à l'élaboration d'une nouvelle génération de matériaux pour la spintronique et l'information quantique.
Durant longtemps, le magnétisme semblait une affaire assez simple. Certains matériaux, comme le fer, présentent une aimantation spontanée ; d'autres, bien que magnétiquement ordonnés, n'en possèdent aucune. Cette vision s'est enrichie au XXe siècle. Derrière le mot « aimant » se cache aujourd'hui toute une famille d'états magnétiques, dont certains n'ont été découverts que récemment.
Etonnants tourbillons magnétiques
Longtemps cantonnée aux mathématiques, la topologie s'est invitée dans le monde du magnétisme, où elle permet de décrire des états de la matière aux propriétés remarquables. Elle révèle notamment des structures inédites, comme les skyrmions ou les vortex, dont la robustesse et les propriétés ouvrent la voie à une nouvelle génération de mémoires et de composants spintroniques.
Les scientifiques ont long-temps pensé que les moments magnétiques d'un matériau s'organisaient surtout en alignement parallèle ou antiparallèle (ferromagnétisme ou antiferromagnétisme). On sait désormais que ces moments peuvent aussi s'organiser en structures bien plus complexes, dont certaines possèdent une propriété remarquable : leur stabilité ne dépend plus seulement des interactions magnétiques, mais aussi de leur topologie, c'est-à-dire de leur organisation globale. À la manière d'un nœud qu'il est impossible de défaire sans couper la corde, ces structures ne peuvent disparaître qu'au prix d'une transformation profonde. Cette protection topologique en fait un nouveau terrain de jeu pour la physique du magnétisme. Un des objets topologiques les plus étudiés est le skyrmion. Introduit en physique des particules par le théoricien britannique Tony Skyrme en 1962, il a été transposé au magnétisme dans les années 1990.
La spintronique révolutionne l'électronique
Durant un demi-siècle, l'électronique s'est appuyée presque exclusivement sur la charge des électrons. L'exploitation de leur spin – une autre de leurs propriétés quantiques – permet d'élaborer des composants capables de stocker, de traiter et de transporter l'information en consommant beaucoup moins d'énergie. La spintronique irrigue aussi bien les mémoires magnétiques que les capteurs, les télécommunications ou les architectures neuromorphiques.
Comment sont transportées et stockées les données dans nos smartphones et nos ordinateurs? L'électronique actuelle repose presque entièrement sur la manipulation de la charge des électrons. Des objets connectés aux centres de calcul de l'intelligence artificielle, tous utilisent des semi-conducteurs, dont le silicium est l'archétype. En contrôlant leur conduction par une tension électrique, ces matériaux permettent de réaliser les milliards de transistors qui composent les circuits intégrés. Cette technologie, très performante, présente toutefois deux limites: déplacer des charges électriques dissipe inévitablement de l'énergie sous forme de chaleur, par effet Joule, tandis que les circuits logiques ordinaires perdent leur état lorsqu'ils ne sont plus alimentés. À mesure que les composants atteignent des dimensions nanométriques, ces contraintes deviennent de plus en plus difficiles à surmonter.
Peut-on réinventer la mémoire des ordinateurs
La microélectronique repose aujourd'hui sur plusieurs types de mémoires, chacune présentant ses avantages et ses limites. Pour les applications hautes performances, au plus près des processeurs, les mémoires magnétiques pourraient offrir le meilleur compromis entre rapidité, faible consommation et endurance.
Chaque fois que nous ouvrons une application sur notre ordinateur ou notre smartphone, plusieurs types de mémoires entrent en jeu. Les mémoires utilisées pendant le calcul, comme la
Static Random Access Memory (SRAM) ou la
Dynamic Random Access Memory (DRAM) permettent au processeur d'accéder rapidement aux données dont il a besoin. Elles souffrent toutefois d'un défaut majeur : elles sont volatiles. Dès que l'alimentation électrique est coupée, l'information disparaît. À l'inverse, les mémoires flash de nos SSD ou de nos clés USB conservent les données pendant des années sans alimentation. Elles sont cependant plus lentes, moins endurantes et plus coûteuses en énergie lors de l'écriture.
Quand les puces détectent l'invisible
Mesurer la position d'une roue, le courant d'une batterie, orienter un smartphone ou détecter l'activité d'un neurone: les capteurs spintroniques sont devenus pertinents dans des domaines très variés. Héritiers des recherches sur les disques durs, ils intéressent désormais le secteur des instruments scientifiques et médicaux en raison de leur très grande sensibilité.
Des capteurs magnétiques travaillent discrètement en arrière-plan lorsque nous prenons la route, utilisons notre smartphone ou rechargeons un véhicule électrique. Ils détectent la rotation des roues, la position d'un moteur, l'intensité d'un courant ou encore l'orientation du téléphone dans le champ magnétique terrestre. Invisibles pour l'utilisateur, ils équipent des milliards d'appareils à travers le monde. Nés des recherches sur les disques durs, les capteurs fondés sur la magnétorésistance sont devenus, en quelques décennies, des détecteurs d'une sensibilité remarquable. Aujourd'hui, ils ne servent plus seulement à mesurer la vitesse d'une roue ou le courant d'une batterie : ils peuvent aussi détecter des bactéries, enregistrer l'activité de neurones ou être intégrés à une nouvelle génération d'appareils d'imagerie médicale.