Imaginez des ordinateurs démarrant en une fraction de seconde, des mobiles et des cartes à puces pouvant stocker 100 fois plus d'informations qu'aujourd'hui, des microprocesseurs dont les circuits peuvent être instantanément reconfigurés en fonction du type de tâche qu'ils doivent effectuer. Imaginez des mémoires d'ordinateur non volatiles, des milliers de fois plus rapides que les mémoires actuelles. Ces performances deviendront banales dans les ordinateurs du futur grâce à une nouvelle révolution scientifique et technologique : la spintronique.
La spintronique a commencé à se matérialiser dans nos ordinateurs en 1997 quand IBM a commercialisé ses têtes de lecture GMR (Giant Magneto-Resistance), qui ont permis de multiplier par 100 la capacité de stockage des ordinateurs qui est passée en 10 ans de 2 à 200 Go. Alors que l'électronique classique n'exploite que la charge des électrons, la spintronique tente d'exploiter les immenses potentialités d'une autre et fascinante propriété de l'électron, découlant de la physique quantique, le spin (moment cinétique créé par la rotation de l'électron sur lui même). En apprenant à contrôler et à modifier cette nouvelle variable, les physiciens espèrent multiplier de plusieurs ordres de grandeur la quantité d'informations pouvant être portées par un électron. Concrètement, l'utilisation de ce spin des électrons va permettre la mise au point de mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memory) utilisant le magnétisme des électrons et pas leur charge.
Ces mémoires présentent l'énorme avantage d'être non volatiles et aussi d'être 50 fois plus rapides que les DRAM actuellement utilisées. IBM, en association avec Infineon Technologies AG, promet de mettre en production des MRAM d'ici 2005. Grâce à l'électronique de spin, nous verrons apparaître d'ici 2 ans les premières générations de MRAM (Magnetic Random Acess Memory). Avec celles-ci, il sera possible de démarrer son ordinateur de manière quasi instantanée, comme une télévision. A terme, elles devraient également équiper la plupart des appareils nomades, domestiques et grand public (agendas électroniques, appareils photos, téléphones...).
A plus long terme, ces mémoires pourraient même se substituer aux disques durs, ce qui résoudrait les problèmes entrée/sortie sur ce type de matériel, qui représentent un goulet d'étranglement majeur pour le calcul informatique. Certains vont plus loin, comme David Awschalom, directeur du Center for Spintonics and Quantum Computation à l'université de Californie. Ce chercheur s'intéresse en effet au spin du noyau de l'atome. Selon lui, la partie subatomique de l'atome pourrait contenir les données, et l'électron agirait comme un bus de données pour transporter l'information de et vers le noyau par des rayons de lumière.
L'un des défis de la spintronique est de combiner électronique, photonique et magnétisme dans des semi-conducteurs, pour contourner les problèmes d'interface entre des dispositifs ayant des propriétés différentes, et ainsi réduire le temps de transfert de données. Enfin, la spintronique dans des semi-conducteurs pourrait être utilisée pour créer des portes logiques reconfigurables et donc ouvrir la voie à des processeurs optimisables pour l'exécution de certaines tâches.
Tous les pays développés ont considérablement accru leur effort de recherche dans ce domaine d'avenir de la spintronique. Des chercheurs canadiens de l'Institut des sciences des microstructures du CNRC (ISM) ont ainsi mis au point en 2002 un transistor «spintronique» à spin unique constitué par un point quantique, un dispositif nanométrique qui pourrait être l'une des clés de l'accroissement de la puissance des ordinateurs et être à la source d'une véritable révolution dans le domaine de l'électronique et des télécommunications.
Toujours au Canada, des chercheurs de l'université de Toronto ont mis au point un "commutateur" qui utilise cette fois les propriétés quantiques du photon (particule élémentaire de lumière et "vecteur" de l'interaction électromagnétique) et pourrait déboucher sur la réalisation de transistors optiques ultra-rapides. Ce dispositif de commutation optique repose sur le comportement quantique du photon à proximité d'un cristal optique spécial. Quand deux photons, issus de deux sources différentes, s'approchent de ce cristal simultanément, ils interfèrent et ne peuvent alors traverser ce cristal. En revanche, un seul photon provenant d'une source unique peut traverser le cristal sans difficulté. L'utilisation de ces étonnantes propriétés quantiques du photon devrait permettre de concevoir des transistors et des ordinateurs optiques dont la vitesse défie l'imagination. Les Etats-Unis ont également compris l'importance de la spintronique. La DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) a choisi l'université de Buffalo pour diriger un consortium en spintronique. Cette université a récemment rapporté avoir fabriqué des matériaux semi-conducteurs qui présentent les propriétés essentielles à la fabrication de dispositifs spintroniques. L'alliage est composé de différentes couches alternées, de quelques couches atomiques d'épaisseur, de gallium antimoine et de manganèse. En modifiant leur semi-conducteur et en le combinant avec un semi-conducteur non magnétique, l'équipe de Buffalo envisage de pouvoir manipuler le spin des électrons. Il y a quelques semaines, des physiciens de l'Université d'Utah ont construit pour leur part un dispositif de "valve organique de spin", similaire à des interrupteurs électriques utilisant les propriétés de la spintronique. (voir article dans la rubrique "électronique" de ce numéro). Le Japon est également très engagé dans la spintronique, l'effet de la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les matériaux ferromagnétiques, et les jonctions ferromagnétiques. Il existe un intérêt particulier de la part des industriels japonais pour cet effet TMR car la technologie de fabrication est la même que celle employée pour les semi-conducteurs, avec une application potentielle pour les mémoires vives magnétiques (MRAM ou Magnetic Random Access Memory) et les têtes de lecture magnétique. Les effets TMR et GMR (magnétorésistance géante) combinés aux techniques de nanofabrication peuvent constituer la clé qui permettrait un stockage de très haute densité (900 Gbit/cm2 ou même plus) dans un futur proche. Le record mondial actuel est détenu par Fujitsu qui a conçu un disque dur d'une densité de stockage de 270 Gbit/cm2 (Novembre 2002). De quoi permettre le stockage de 6 DVD sur un seul cm2 ! La France est également en pointe dans ce domaine stratégique. Le CNRS a en effet décerné sa médaille d'or 2003 à Albert Fert, chercheur au CNRS. On doit à ce physicien la découverte de la magnétorésistance géante (Giant Magneto-Resistance, GMR) en 1988 et sa contribution au développement de l'électronique de spin. La GMR est à l'origine de l'élaboration de têtes de lecture magnétique extrêmement sensibles, qui équipent aujourd'hui la quasi-totalité des disques durs. Grâce à ces têtes de lecture, la densité de stockage d'information sur ces supports s'est considérablement élevée : l'utilisation de cette technologie a permis d'augmenter la croissance de la densité de stockage de 120 % par an entre 1998 et 2002. Notre pays s'est par ailleurs doté d'un centre de recherche spécifiquement consacré à ce domaine stratégique majeur. Il s'agit de « Spintec », inauguré il y a un mois à Grenoble. Spintec réunit une cinquantaine de chercheurs, dont Albert Fert, le père fondateur de l'électronique de "spin". L'axe principal de recherche de Spintec concerne ces fameuses mémoires magnétiques à accès aléatoire (Magnetic Random Access Memories ou MRAM), qui combinent tous les avantages des différentes mémoires existantes (DRAM, SRAM ou Flash) sans en avoir les inconvénients. Les MRAM sont non seulement des mémoires permanentes, ce qui permet la sauvegarde des données en absence d'alimentation, mais elles sont également ultra-rapides, denses, peu gourmandes en énergie. Ces MRAM pourraient devenir des mémoires universelles et remplacer, dans une dizaine d'années, les mémoires actuelles. Depuis 10 ans, les progrès dans ce domaine fascinant de la spintronique ont été considérables et l'on sait à présent, à l'aide d'un laser, acheminer des paquets d'électrons sur plus de 100 micromètres (un dixième de millimètre) avec une perte limitée de polarisation de spins. On sait également qu'il est possible de modifier des milliers de fois des spins d'électrons, sans que ceux-ci ne perdent leur cohérence, à l'aide d'impulsions laser très brèves. On peut donc désormais affirmer que l'électronique de l'après silicium reposera, à partir de 2015-2020, sur la maîtrise et l'utilisation des extraordinaires propriétés de la physique quantique et notamment de ce spin des électrons.
Formalisée au cours du premier tiers du XXe siècle par des physiciens géniaux comme Einstein, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Dirac ou Pauli, la physique quantique est donc bien davantage qu'une théorie étrange et très abstraite qui décrit et régit le monde des particules et sera demain au coeur de tous nos appareils et systèmes électroniques et informatiques.
Cette évolution de la spéculation théorique jusqu'à l'application technologique montre à quel point la coupure conceptuelle entre recherche fondamentale et recherche appliquée est finalement artificielle, comme le montre d'ailleurs le dernier prix Nobel de physique qui vient de récompenser des travaux dans le domaine théorique des supraconducteurs et des suprafluides ayant finalement permis la révolution de l'imagerie magnétique servant aux examens médicaux (IRM). Comme le soulignait récemment Édouard Brézin, ancien Directeur du CNRS, "c'est en se posant des questions fondamentales sur le spin des électrons, et non en cherchant à améliorer les têtes de lecture, qu'Albert Fert a révolutionné la technologie des disques durs d'ordinateurs."
Sur le long terme, la connaissance fondamentale et théorique de notre univers est absolument nécessaire pour permettre des sauts technologiques majeurs qui deviennent eux-mêmes de nouveaux et puissants moteurs de productivité, de croissance économique et d'emploi. Face aux géants américains et japonais, qui investissent massivement dans la recherche fondamentale à long terme, il est donc vital pour l'avenir de notre pays de se donner les moyens, au niveau national et européen, de rester compétitif dans ce domaine de la recherche fondamentale, tout en améliorant la vitesse et le champ des retombées technologiques que génère cette connaissance intime de la matière et de l'énergie.
Dans cette perspective, on ne peut que se réjouir de l'accord historique qui vient d'être conclu entre l'Etat et le monde de la recherche. Grâce à la mise en oeuvre sur la durée de moyens humains, techniques et financiers sans précédents, l'ensemble de la recherche française, et notamment la recherche fondamentale, vont bénéficier de moyens permettant à notre pays de maintenir son excellence et son avance technologique dans des domaines stratégiques comme la spintronique qui seront demain les moteurs de la compétitivité et de la richesse économique.
René TRÉGOUËT
Sénateur du Rhône
