Un nouveau matériau pourrait créer des "neurones" et des "synapses" pour les ordinateurs
18 mai 2021
Les ordinateurs classiques utilisent des valeurs binaires (0/1) pour fonctionner. En revanche, les cellules de notre cerveau peuvent utiliser davantage de valeurs pour fonctionner, ce qui les rend plus économes en énergie que les ordinateurs. C'est pourquoi les scientifiques s'intéressent à l'informatique neuromorphique (semblable au cerveau). Des physiciens de l'université de Groningue ont utilisé un oxyde complexe pour créer des éléments comparables aux neurones et aux synapses du cerveau en utilisant les spins, une propriété magnétique des électrons. Leurs résultats ont été publiés le 18 mai dans la revue Frontiers in Nanotechnology.
Des films minces
Le fonctionnement de notre cerveau peut être simulé par des ordinateurs, mais l'architecture de base repose toujours sur un système binaire. C'est pourquoi les scientifiques cherchent des moyens de l'étendre, en créant du matériel qui ressemble davantage au cerveau, mais qui pourra également s'interfacer avec des ordinateurs normaux. Une idée consiste à créer des bits magnétiques pouvant avoir des états intermédiaires", explique Tamalika Banerjee, professeur de spintronique des matériaux fonctionnels au Zernike Institute for Advanced Materials de l'université de Groningue. Elle travaille sur la spintronique, qui utilise une propriété magnétique des électrons appelée "spin" pour transporter, manipuler et stocker des informations.
Dans cette étude, son doctorant Anouk Goossens, premier auteur de l'article, a créé des films minces d'un métal ferromagnétique (oxyde de strontium-ruthénate, SRO) cultivé sur un substrat d'oxyde de titanate de strontium. La couche mince obtenue contenait des domaines magnétiques perpendiculaires au plan du film. Ces domaines peuvent être commutés plus efficacement que les domaines magnétiques dans le plan", explique Goossens. En adaptant les conditions de croissance, il est possible de contrôler l'orientation des cristaux dans l'OSR. Auparavant, des domaines magnétiques hors du plan avaient été créés à l'aide d'autres techniques, mais celles-ci nécessitaient généralement des structures de couches complexes.
Anisotropie magnétique
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| Schéma de la structure de dispositif proposée pour les memristors spintroniques neuromorphiques. Le chemin d'écriture se fait entre les bornes à travers la couche supérieure (ligne pointillée noire), le chemin de lecture passe par la pile de dispositifs (ligne pointillée rouge). Le côté droit de la figure indique comment le choix du substrat détermine si le dispositif aura un comportement déterministe ou probabiliste. | Illustration Groupe Banerjee |
Schéma de la structure de dispositif proposée pour les memristors spintroniques neuromorphiques. Le chemin d'écriture se fait entre les bornes à travers la couche supérieure (ligne pointillée noire), le chemin de lecture passe par la pile de dispositifs (ligne pointillée rouge). Le côté droit de la figure indique comment le choix du substrat détermine si le dispositif aura un comportement déterministe ou probabiliste. | Illustration Groupe Banerjee
Les domaines magnétiques peuvent être commutés à l'aide d'un courant passant par une électrode en platine située au-dessus de l'OSR. Goossens : "Lorsque les domaines magnétiques sont orientés de manière parfaitement perpendiculaire au film, cette commutation est déterministe : le domaine entier va commuter". En revanche, lorsque les domaines magnétiques sont légèrement inclinés, la réponse est probabiliste : tous les domaines ne sont pas identiques, et des valeurs intermédiaires apparaissent lorsque seule une partie des cristaux du domaine a commuté.
En choisissant des variantes du substrat sur lequel l'OSR est cultivé, les scientifiques peuvent contrôler son anisotropie magnétique. Cela leur permet de produire deux dispositifs spintroniques différents. Cette anisotropie magnétique est exactement ce que nous voulions", explique M. Goossens. La commutation probabiliste est comparable au fonctionnement des neurones, tandis que la commutation déterministe ressemble davantage à une synapse".
Les scientifiques espèrent qu'à l'avenir, il sera possible de créer un matériel informatique semblable au cerveau en combinant ces différents domaines dans un dispositif spintronique qui pourra être connecté à des circuits standard à base de silicium. En outre, la commutation probabiliste permettrait également le calcul stochastique, une technologie prometteuse qui représente des valeurs continues par des flux de bits aléatoires. Banerjee : "Nous avons trouvé un moyen de contrôler les états intermédiaires, non seulement pour la mémoire mais aussi pour le calcul".
Référence :
A.S. Goossens, M.A.T. Leiviskä and T. Banerjee: Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO3/SrTiO3 Heterostructures for Spin-Memristors. Frontiers in Nanotechnology 18 May 2021
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