La spintronique cherche à remplacer l'électronique conventionnelle, où la croissance des charges de calcul se heurte à la dissipation thermique et à l'architecture de von Neumann. La logique à courants de spin promet le calcul dans la mémoire, mais s'est jusqu'ici appuyée sur des magnétiques métalliques comme le cobalt-fer-bore, difficiles à miniaturiser. Les magnétiques de van der Waals, tels que Fe3GaTe2, séduisent par leur faible aimantation, leur empilement flexible des couches et leurs interfaces propres sans liaisons pendantes. Cependant, aucun dispositif à base de ces matériaux n'avait fonctionné à température ambiante sans champ magnétique externe, ni présenté de stabilité thermique mesurée.
Le cristal Fe3GaTe2 a été cultivé par la méthode d'auto-flux, puis une couche de 37 nanomètres d'épaisseur a été exfoliée et transférée sur un substrat de silicium oxydé dans une boîte à gants sous argon. Par-dessus, on a déposé par pulvérisation une couche de platine de 4 nanomètres comme source de courant de spin. À partir de la bicouche, on a gravé une croix de Hall double avec électrodes. La géométrie asymétrique des croix brise la symétrie d'inversion transversale du champ électrique, ce qui génère des spins perpendiculaires et un champ magnétique effectif suffisant pour commuter l'aimantation sans champ externe. La commutation a été testée par impulsions de courant de durées variées et la résistance de Hall anormale a été mesurée.
Le dispositif présente des états stables « 0 » et « 1 » à température ambiante avec une coercitivité de 20 mT. Sans champ externe, la commutation ne se produit que dans les croix asymétriques, les croix gauche et droite commutant dans des directions opposées. Les mesures de la dépendance du courant de commutation en fonction de la durée d'impulsion ont donné une densité de courant critique interne de 1,8×10⁷ A/cm² et un facteur de stabilité thermique de 50. C'est la première fois que de tels paramètres sont rapportés pour un magnétique de van der Waals homogène. Pour des dimensions industrielles de canal de 100×50 nm², l'énergie d'écriture calculée est de 1,5 fJ par bit pour une impulsion de 1 ns, soit 40 fois moins que pour des dispositifs optimisés à base de tungstène et de cobalt-fer-bore.
Ce travail montre pour la première fois qu'un magnétique de van der Waals homogène avec un canal en platine peut servir de base à une logique de spin évolutive à température ambiante. Contrairement aux travaux voisins qui utilisaient des gradients de composition, des couches antiferromagnétiques ou des cristaux de basse symétrie, ici la commutation sans champ est obtenue grâce à l'asymétrie électrique dans le platine hautement conducteur. Cela ouvre la voie à des puces de calcul denses et économes en énergie avec calcul en mémoire.
Une réduction supplémentaire de l'énergie d'écriture est possible en diminuant l'épaisseur de Fe3GaTe2 jusqu'à quelques couches et en utilisant des alliages de platine à plus haute efficacité de courant de spin. L'ajout de magnétorésistance tunnel pour une lecture très sensible est également prometteur. Le développement de tels dispositifs pourrait mener à des circuits logiques à spin complets, intégrés à la technologie CMOS.
Ces résultats influenceront le développement de puces économes en énergie pour l'intelligence artificielle et l'Internet des objets, où la densité et la dissipation thermique sont critiques.
Optimiser l'épaisseur de la couche magnétique et la composition du métal à effet spin-Hall, et tester le fonctionnement du dispositif sur des réseaux de bits nanométriques.
Pour la spintronique, le problème non résolu reste d'atteindre simultanément une stabilité thermique élevée, un faible courant de commutation et une évolutivité à température ambiante. Ce travail montre que les magnétiques de van der Waals peuvent résoudre ce trilemme, mais une vérification sur des éléments nanométriques et avec des impulsions subnanosecondes est nécessaire.
L'énergie de 1,5 fJ est comparable à celle d'un photon de lumière visible, mais elle suffit pour commuter un bit magnétique.