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Comment stocker des données sur des aimants de la taille d'un seul atome


Le magnétisme est utile à bien des égards et l'effet de mémoire magnétique apparaît même au niveau atomique.

Il y a un adage qui dit que les données augmenteront pour remplir toute la capacité disponible. Il y a peut-être dix ou 20 ans, il était courant de stocker des logiciels, de la musique MP3, des films et d'autres fichiers, dont la collecte pouvait prendre des années. À l'époque où les disques durs offraient quelques dizaines de gigaoctets de stockage, manquer d'espace était presque inévitable.

Maintenant que nous avons Internet haut débit rapide et que nous ne pensons plus au téléchargement d'un DVD de 4,7 gigaoctets, nous pouvons accumuler des données encore plus rapidement. Les estimations de la quantité totale de données détenues dans le monde devraient passer de 4,4 billions de gigaoctets en 2013 à 44 mille milliards de gigaoctets d'ici 2020. Cela signifie que nous générons en moyenne 15 millions de gigaoctets par jour. Même si les disques durs sont désormais mesurés en milliers de gigaoctets plutôt qu'en dizaines, nous avons toujours un problème de stockage.

La recherche et le développement se concentrent sur le développement de nouveaux moyens de stockage de données qui sont plus denses et peuvent donc stocker de plus grandes quantités de données, et ce de manière plus économe en énergie. Parfois, cela implique de mettre à jour des techniques établies: récemment, IBM a annoncé une nouvelle technologie de bande magnétique capable de stocker 25 gigaoctets par pouce carré, un nouveau record du monde pour cette technologie vieille de 60 ans. Alors que les disques durs grand public magnétiques ou à semi-conducteurs actuels sont plus denses à environ 200 gigaoctets par pouce carré, les bandes magnétiques sont encore fréquemment utilisées pour la sauvegarde des données.

Cependant, la recherche de pointe en matière de stockage de données travaille au niveau des atomes et des molécules individuels, ce qui représente la limite ultime de la miniaturisation technologique.

La quête des aimants atomiques

Les technologies actuelles de stockage de données magnétiques - celles utilisées dans les disques durs traditionnels avec plateaux rotatifs, la norme jusqu'à il y a quelques années et encore courante aujourd'hui - sont construites selon des méthodes «descendantes». Cela implique de créer des couches minces à partir d'un grand morceau de matériau ferromagnétique, chacune contenant les nombreux domaines magnétiques utilisés pour contenir les données. Chacun de ces domaines magnétiques est constitué d’une grande collection d’atomes magnétisés, dont la polarité magnétique est définie par la tête de lecture / écriture du disque dur pour représenter les données sous forme de un binaire ou de zéro.

Une autre méthode «ascendante» impliquerait la construction de dispositifs de stockage en plaçant un par un des atomes ou molécules individuels, chacun étant capable de stocker un seul bit d'information. Les domaines magnétiques conservent leur mémoire magnétique en raison de la communication entre des groupes d'atomes magnétisés voisins.

Les aimants mono-atome ou mono-molécule par contre ne nécessitent pas cette communication avec leurs voisins pour conserver leur mémoire magnétique. Au lieu de cela, l'effet mémoire provient de la mécanique quantique. Ainsi, parce que les atomes ou les molécules sont beaucoup, beaucoup plus petits que les domaines magnétiques actuellement utilisés et peuvent être utilisés individuellement plutôt qu'en groupes, ils peuvent être regroupés plus étroitement, ce qui pourrait entraîner une énorme augmentation de la densité des données.

Travailler avec des atomes et des molécules comme celui-ci n'est pas de la science-fiction. Les effets de mémoire magnétique dans les aimants à molécule unique (SMM) ont été démontrés pour la première fois en 1993, et des effets similaires pour les aimants à un seul atome ont été montrés en 2016.

Élever la température

Le principal problème qui empêche de déplacer ces technologies hors du laboratoire vers le grand public est qu'elles ne fonctionnent pas encore à température ambiante. Les atomes simples et les SMM nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide (à une température de –269 ° C), une ressource coûteuse et limitée. Ainsi, les efforts de recherche au cours des 25 dernières années se sont concentrés sur l'augmentation de la température à laquelle l'hystérésis magnétique - une démonstration de l'effet de mémoire magnétique - peut être observée. Un objectif important est –196 ° C, car c'est la température qui peut être atteinte avec de l'azote liquide, qui est abondant et bon marché.

Il a fallu 18 ans pour le premier pas de fond vers l'augmentation de la température à laquelle la mémoire magnétique est possible dans les SMM - une augmentation de 10 ° C réalisée par des chercheurs californiens. Mais maintenant, notre équipe de recherche de l’école de chimie de l’Université de Manchester a réalisé une hystérésis magnétique dans un SMM à –213 ° C en utilisant une nouvelle molécule basée sur le dysprosocénium, élément de terre rare, comme indiqué dans une lettre à la revue Nature. Avec un bond de 56 ° C, ce n'est qu'à 17 ° C de la température de l'azote liquide.

Utilisations futures

Il y a cependant d'autres défis. Afin de stocker pratiquement des bits individuels de données, les molécules doivent être fixées aux surfaces. Cela a été démontré avec les SMM dans le passé, mais pas pour cette dernière génération de SMM à haute température. D'autre part, la mémoire magnétique dans des atomes uniques a déjà été démontrée sur une surface.

Le test ultime est la démonstration de l'écriture et de la lecture non destructive de données dans des atomes ou des molécules uniques. Cela a été réalisé pour la première fois en 2017 par un groupe de chercheurs d'IBM qui ont présenté le plus petit périphérique de stockage à mémoire magnétique au monde, construit autour d'un seul atome.

Mais indépendamment du fait que les dispositifs de stockage à un atome ou à une seule molécule deviennent un jour vraiment pratiques, les progrès de la science fondamentale réalisés le long de cette voie sont phénoménaux. Les techniques de chimie de synthèse développées par des groupes travaillant sur les SMM nous permettent désormais de concevoir des molécules aux propriétés magnétiques personnalisées, qui auront des applications en informatique quantique et même en imagerie par résonance magnétique.

Nicholas Chilton, chercheur - École de chimie, Université de Manchester

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lisez l'article original.


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