Batman montre la voie vers un stockage de données plus compact

Villigen, 12.01.2015 - Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) ont réussi à renverser l’aimantation de minuscules structures magnétiques grâce à la lumière d’un laser, et à suivre le déroulement de ce retournement au cours du temps. Une zone de quelques nanomètres a alors brièvement clignoté. Fait insolite : sa forme rappelait le logo en forme de chauve-souris de Batman. Les résultats de cette recherche pourraient rendre le stockage de données sur les disques durs plus compact, plus rapide et plus économique.

Le stockage des données sur les disques durs d’ordinateurs se fait sous forme magnétique. Chercheurs et ingénieurs tentent de réduire toujours davantage la taille réelle de ces bits et bytes (octets) magnétiques. Leur objectif : réussir à l’avenir à concentrer de plus grandes quantités d’informations sur des disques durs toujours plus petits. Pour y parvenir, des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) misent sur une combinaison originale, qui allie une surface microstructurée et un rayon laser.

La surface utilisée est composée d’un agencement régulier de minuscules carrés, réalisés dans un matériau magnétique. Dans le cadre de différents essais menés par les chercheurs, ces carrés présentaient une taille comprise entre un et cinq millièmes de millimètre. Chacun de ces carrés est un minuscule aimant en soi, et pourrait être un jour utilisé pour stocker un bit, c’est-à-dire une unité élémentaire de mémoire.

De la lumière pour renverser des micro-aimants

Deuxième aspect de cette approche non conventionnelle : les scientifiques ont réussi à retourner de manière ciblée l’aimantation de ces structures carrées avec un rayon laser. Sur les disques durs actuels, ce retournement de l’aimantation, et donc le stockage de données, se fait à l’aide d’une petite tête magnétique, qui parcourt le disque dur, un peu à la manière d’une aiguille de lecture sur un disque en vinyle.

Dans ce projet, les chercheurs du PSI collaborent avec des collègues des Pays-Bas, d’Allemagne et du Japon. Il y a deux ans déjà, ce groupe international de recherche avait réussi à démontrer que des impulsions courtes et intenses de lumière laser permettaient de renverser des micro-aimants cent fois plus vite qu’avec une tête magnétique. Par ailleurs, le laser est aussi moins gourmand en énergie et donc moins coûteux. Mais son atout majeur est le suivant : apparemment, la lumière du laser échauffe très vite les minuscules aimants, et peut ainsi les faire chaque fois changer d’état. « A l’évidence, la commutation magnétique avec la lumière fonctionne, explique Frithjof Nolting, directeur de laboratoire de l’étude du PSI. Mais la raison exacte de ce fonctionnement reste encore controversée dans la communauté scientifique. »

Des instantanés du retournement

Pour mieux comprendre ce processus de retournement magnétique, les chercheurs ont à présent développé une mesure résolue en temps, grâce à laquelle ils peuvent observer étape par étape cette modification extrêmement rapide. Pour ce faire, ils utilisent des rayons X de la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Les scientifiques ont ainsi réussi à réaliser une série d’instantanés, distants les uns des autres de seulement 70 milliardièmes de secondes. Leur débit d’image par seconde est donc presque 600 millions de fois plus élevé que celui des films diffusés en salles.

Dans leur série d’instantanés, ils ont pu observer le déroulement du changement de l’aimantation, autrement dit le retournement de ces minuscules aimants. D’abord, leur pôle nord est orienté « vers le haut » et leur pôle sud « vers le bas », et à la fin, c’est l’inverse.

Une sous-structure venue du monde des super-héros

Les chercheurs ont fait à cette occasion une déconcertante observation : les carrés sont si petits que l’impulsion laser utilisé en irradie simultanément beaucoup ; et pourtant, l’aimantation ne s’inverse pas uniformément. À la place, il se forme des motifs à l’intérieur des carrés balayés par le laser. Sur les images des chercheurs, une orientation d’aimantation apparaît en noir, et l’autre en blanc. Lorsqu’ils ont observé des carrés de cinq microns de côté, c’est-à-dire de cinq millièmes de millimètre de côté, ils ont aperçu une sous-structure magnétique particulièrement insolite : tout à coup, un minuscule logo de Batman est apparu en noir sur le fond blanc.

Les chercheurs ne considèrent pas cette apparition comme un message secret venu du monde des super-héros, ni comme un problème, mais comme une opportunité. Ils expliquent la chauve-souris stylisée de Batman par des effets de réfraction et d’interférence de la lumière du laser. C’est-à-dire par l’interaction de la lumière avec les microcarrés. Certaines parties des structure carrées ont absorbé plus de la lumière laser que les autres. Et c’est là seulement que s’est produit le renversement de l’aimantation. « Nous avons découvert ici une fascinante interaction », résume Frithjof Nolting.

Le disque dur du futur sera plus petit et plus rapide

Avec des aimants de formes différentes, il devrait être possible d’obtenir d’autres silhouettes que celle du logo de Batman. Et ainsi, chacun de ces tout petits aimants, voire une sous-partie à l’intérieur de chacun d’entre eux, pourrait être utilisée comme une unité de mémoire informatique (bit). « Cela pourrait permettre un jour de stocker encore plus de données sur des disques durs encore plus petits », explique Loïc Le Guyader, qui a participé aussi aux expériences au PSI, et travaille depuis au Helmholtz-Zentrum Berlin.

Les chercheurs ont mesuré des valeurs considérables dans les minuscules sous-structures, mais aussi dans la vitesse des processus de renversement magnétique : grâce à l’utilisation d’impulsions laser, le processus se déroule à une vitesse extrêmement rapide et s’opère intégralement en moins de 100 milliardièmes de seconde.

Plus petits, plus rapides : voilà les deux caractéristiques qui comptent dans l’industrie des disques durs – ce qui implique des unités de mémoire (bits) de plus petite taille et un renversement magnétique à vitesse élevée. Il se pourrait que les chercheurs du PSI aient montré aux ingénieurs la voie de futurs développements.

Text: Laura Hennemann

Institutions impliquées et financement
Des chercheurs des institutions suivantes ont participé au projet : Institut Paul Scherrer, Suisse ; Université Radboud de Nimègue, Institut des molécules et des matériaux, Pays-Bas ; Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Allemagne ; Université Nihon, Faculté Science et technologie, Japon. Ont participé au financement des travaux : le septième programme-cadre de l’Union européenne FP7 (projets UltraMagnetron, Femtospin, Fantomas, Femtomagnetism), l’organisation d’encouragement de la recherche des Pays-Bas (NWO, FOM, STW) et l’organisation d’encouragement de la recherche du Japon (MEXT).

À propos du PSI
L’Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l’institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l’énergie et l’environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d’environ CHF 350 millions.

Publication originale
Nanoscale sub-100 picosecond all-optical magnetization switching in GdFeCo microstructures.
L. Le Guyader, M. Savoini, S. El Moussaoui, M. Buzzi, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, T. Rasing, A.V. Kimel and F. Nolting,
Nature Communications, 12 January 2014,
DOI: 10.1038/ncomms6839

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