L’enregistrement magnétique rendu des centaines de fois plus rapide

Une méthode révolutionnaire permet l’enregistrement sur support magnétique à la vitesse de plusieurs Térabytes (1000 Gigabytes) par  secondes, c’est-à-dire plusieurs centaines de fois plus vite que les disques durs actuels, tout en multipliant par dix la capacité d’inscription.

Une équipe internationale de scientifique vient de découvrir qu’un chauffage très local obtenu par une impulsion laser ultra rapide permet d’inscrire des informations sur un matériau ferrimagnétique.  Et ceci à une vitesse incomparablement  plus élevée que celle de l’enregistrement magnétique classique.

L’enregistrement magnétique classique se fait en faisant passer un courant électrique dans une bobine, dite d’écriture, au-dessus d ‘un matériau magnétique. Ce dernier est susceptible de s’aimanter en présence du champ magnétique créé par la bobine. Le matériau, après enregistrement, présente des domaines aimantés qui forment une série de petits aimants dirigés dans un sens ou l’autre, c’est-à dire avec une face Nord ou Sud dirigée vers l’extérieur. La lecture se fait en faisant défiler le support du matériau, bande ou disque, devant une autre bobine. La variation de champ magnétique induit dans celle-ci une tension électrique qui permet de reconstituer l’information enregistrée.
Fig.1. Image expérimentale montrant la commutation entre deux états magnétiques différents d'ilôts de matériau de taille nanoscopique. Dans l'état initial, les deux ilôts de dimensions nanoscopiques ont des orientations magnétiques différentes (qui se traduisent sur l'image par une tache blanche et noire respectivement). Après l'application d'une seule impulsion laser, les directions d'aimantation des deux ilôts changent toutes deux. Des impulsions successives, conduisent à des bascules entre deux états bien déterminés. Crédit: Johan Mentink and Alexey Kimel, Radboud University Nijmegen; Richard Evans, University of York.

Fig.1. Image expérimentale montrant la commutation entre deux états magnétiques différents d’ilôts de matériau de taille nanoscopique. Dans l’état initial, les deux ilôts de dimensions nanoscopiques ont des orientations magnétiques différentes (qui se traduisent sur l’image par une tache blanche et noire respectivement). Après l’application d’une seule impulsion laser, les directions d’aimantation des deux ilôts changent toutes deux. Des impulsions successives, conduisent à des bascules entre deux états bien déterminés. Crédit: Johan Mentink and Alexey Kimel, Radboud University Nijmegen; Richard Evans, University of York.

Les propriétés magnétiques de la matière s’expliquent par la présence de courants microscopiques dans la matière, liés au mouvement des électrons autour du noyau et dans les molécules et structures cristallines. Ces courants créent une aimantation appelé  moment magnétique. A celui-ci se rajoutent les moments magnétiques intrinsèques des électrons qu’on appelle les spins.
Le ferrimagnétisme est une propriété magnétique de certains corps solides. Dans un matériau ferrimagnétique  comme l’alliage Fe Gd (Fer Gadolinium) les moments magnétiques des deux composants sont antiparallèles (parallèles et de sens opposés) mais d’amplitude différente. Il en résulte une aimantation spontanée du matériau.

Savoir comment, et à quelle vitesse, on peut parvenir à inverser l’aimantation d’un domaine donné de matériau magnétique est d’un grand intérêt pour la manipulation et l’enregistrement de l’information sous forme magnétique.

Ceci s’obtenait jusqu’ici par une impulsion de champ magnétique. Les chercheurs ont inventé et ont expérimentalement démontré l’existence d’un nouveau mécanisme. Ils ont obtenu l’inversion d’aimantation dans un ferrimagnétique par un chauffage ultra rapide du matériau par absorption  d’une impulsion laser d’une durée inférieure à la picoseconde (c’est-à-dire un millionième de millionème de seconde) sansapplication de champ magnétique.

Fig. 2. Représentation de la commutation magnétique par impulsion ultra rapide de chaleur. Avant l’impulsion laser, les deux composants du matériau ferrimagnétique Fe( bleu) et Gd (rouge) ont des moments magnétiques(flèches bleues et rouges) alignés et de sens opposés. L’impulsion laser d’une durée de 0,6 picoseconde chauffe rapidement le matériau et cela induit un état transitoire où les moments magnétiques du Fe et du Gd sont alignés et de même sens. Après l’arrêt de l’impulsion laser les moments magnétiques relaxent vers leur nouvel état. Le changement d’état dure en tout moins de 5 picosecondes. Crédit: Richard Evans, University of York.

Fig. 2. Représentation de la commutation magnétique par impulsion ultra rapide de chaleur. Avant l’impulsion laser, les deux composants du matériau ferrimagnétique Fe( bleu) et Gd (rouge) ont des moments magnétiques(flèches bleues et rouges) alignés et de sens opposés. L’impulsion laser d’une durée de 0,6 picoseconde chauffe rapidement le matériau et cela induit un état transitoire où les moments magnétiques du Fe et du Gd sont alignés et de même sens. Après l’arrêt de l’impulsion laser les moments magnétiques relaxent vers leur nouvel état. Le changement d’état dure en tout moins de 5 picosecondes. Crédit: Richard Evans, University of York.

Fig. 3. Vue d’artiste du milieu de stockage magnétique. Sur un support sont déposés des grains magnétiques d’une taille de l’ordre du nanomètre (un milliardième de mètre). La densité d’inscription est de 10 pétabytes par mètre carré (c’est-à-dire 8 millions de milliards de bits par mètre carré). Les données sont inscrites par le procédé de chauffage ultra rapide la vitesse de 200 Gigabytes /sec (1600 milliards de bits par seconde). C’est une vitesse 300 fois plus élevée que celle des disques durs actuels et une densité de mémoire 10 fois plus élevée. Crédit: Richard Evans, University of York.

Fig. 3. Vue d’artiste du milieu de stockage magnétique. Sur un support sont déposés des grains magnétiques d’une taille de l’ordre du nanomètre (un milliardième de mètre). La densité d’inscription est de 10 pétabytes par mètre carré (c’est-à-dire 8 millions de milliards de bits par mètre carré). Les données sont inscrites par le procédé de chauffage ultra rapide la vitesse de 200 Gigabytes /sec (1600 milliards de bits par seconde). C’est une vitesse 300 fois plus élevée que celle des disques durs actuels et une densité de mémoire 10 fois plus élevée. Crédit: Richard Evans, University of York.

Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour enregistrer de l’information dans un matériau magnétique, les physiciens ont maîtrisé des forces internes à celui-ci, ce qui leur a permis de n’utiliser que des impulsions de chaleur. Outre les extraordinaires progrès vus plus haut que cela permet, cette méthode consomme moins d’énergie.

Pour rendre utilisable cette technique, il faudra mettre au point des lasers picosecondes miniatures. Ceci devrait nécessiter quelques années de mise au point.

L’équipe de recherche qui a réalisé cette étude comprend des scientifiques de l’ University of York, Royaume Uni, de l’ Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Espagne, du  Paul Scherrer Institut, Suisse, du  College of Science and Technology, Université  de  Nihon, Japon, de l’ Institut du Magnétisme, Kiev, Ukraine,  du Ioffe Physical Technical Institute de l’Académie Russe des Sciences, Russie et de l’Université Radboud, Nijmegen, Institute for Molecules and Materials, Pays-Bas.

Pour en savoir plus :

I. Radu, K. Vahaplar, C. Stamm, T. Kachel, N. Pontius, H. A. Dürr, T. A. Ostler, J. Barker, R. F. L. Evans, R. W. Chantrell, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, Th. Rasing & A. V. Kimel        Nature 472, 205–208 (14 April 2011) doi:10.1038/nature09901