Jonctions magnétiques tunnel atomiques tordues avec plusieurs états non volatils

Stocker plus que des zéros et des uns

Les appareils numériques d’aujourd’hui raisonnent principalement en noir et blanc : chaque petit élément de mémoire contient soit un zéro soit un un. Cet article explore une manière de loger plus de deux valeurs stables dans un seul dispositif magnétique ultra‑petit, composé de feuilles atomiques. En tordant finement ces couches magnétiques d’un atome d’épaisseur, les chercheurs montrent qu’une jonction peut conserver de manière fiable plusieurs états distincts sans alimentation, offrant la promesse d’une mémoire plus dense, de nouveaux types de calcul et d’appareils qui s’approchent des limites ultimes de la miniaturisation.

Des bits magnétiques classiques aux empilements atomiques

Les jonctions magnétiques tunnel sont déjà au cœur des mémoires magnétiques modernes et des têtes de lecture des disques durs. Dans une jonction conventionnelle, deux couches magnétiques métalliques sont séparées par une barrière isolante extrêmement mince. Les électrons peuvent « tunneliser » à travers cette barrière plus facilement lorsque les magnétisations des deux couches sont orientées dans la même direction que lorsqu’elles sont opposées, donnant deux niveaux de résistance qui codent le zéro et le un. Ce dispositif s’est avéré robuste et évolutif, mais il est encore construit à partir de barrières d’oxyde relativement épaisses et imparfaites et reste fondamentalement limité à seulement deux états stables.

Pourquoi les couches atomiques tordues changent la donne

L’équipe se tourne vers un matériau appelé CrSBr, un semi‑conducteur qui reste magnétique même réduit à une seule couche atomique. À l’état naturel, deux telles couches s’accouplent de sorte que leurs moments magnétiques s’alignent à l’intérieur de chaque feuillet mais s’opposent entre feuillets. Utilisée comme barrière entre contacts conducteurs, cette bicouche agit déjà comme une jonction tunnel « atomique ». L’idée clé est que faire tourner une couche de CrSBr par rapport à une autre — créer une interface tordue — rompt en grande partie le couplage fort habituel entre les couches. Chaque frontière tordue peut alors soutenir deux alignements différents et stables des moments magnétiques, qui se traduisent par deux états de conductance distincts même en l’absence de champ magnétique extérieur.

Construire des dispositifs à deux et quatre niveaux stables

Premièrement, les chercheurs empilent une monocouche de CrSBr sur une bicouche naturelle de CrSBr, formant une structure à trois couches avec une seule interface tordue. La bicouche en dessous reste fortement verrouillée dans un motif antiparallèle, agissant comme une référence rigide, tandis que l’interface tordue au‑dessus peut se stabiliser en un arrangement quasi‑parallèle ou quasi‑antiparallèle. Des balayages précis du champ magnétique montrent que le courant à travers cette jonction à l’échelle atomique peut commuter de façon reproductible entre deux niveaux à champ nul, avec des variations de résistance pouvant atteindre plusieurs centaines de pour cents dans des dispositifs optimisés. Parce que la bicouche sous‑jacente fournit un fort « verrouillage », ces deux états sont exceptionnellement stables sur de nombreux cycles et pour une large gamme de directions de champ.

Transformer une interface tordue en élément multiniveau

Les auteurs étendent ensuite la conception en ajoutant une seconde monocouche de CrSBr sous la bicouche, créant un empilement à quatre couches avec deux interfaces tordues : monocouche/bicouche/monocouche. Maintenant, les monocouches supérieure et inférieure peuvent chacune adopter indépendamment l’une des deux orientations par rapport à la bicouche centrale. En combinaison, cela donne quatre configurations magnétiques distinctes, chacune produisant un courant de tunnel différent à champ nul. Des expériences à très basse température montrent quatre niveaux de courant bien séparés et reproductibles. En orientant la direction et l’intensité de champs magnétiques modestes, l’équipe démontre que n’importe lequel de ces quatre états peut être converti en n’importe quel autre, soit directement soit via des séquences de commutation, réalisant ainsi une cellule mémoire contrôlable à quatre niveaux dans une seule jonction atomique.

Vers des mémoires et un calcul magnétique plus riches

Au‑delà de ces empilements spécifiques, les auteurs montrent que des idées similaires fonctionnent lorsque toutes les couches sont antiferromagnétiques, produisant trois niveaux non volatils dans un dispositif constitué de trois bicouches tordues. Dans l’ensemble, les résultats prouvent que l’ajout simple d’interfaces tordues à l’intérieur de matériaux magnétiques van der Waals peut multiplier le nombre d’états de résistance stables disponibles dans une seule jonction. Pour un non‑spécialiste, cela signifie une voie vers des éléments de mémoire qui stockent plusieurs valeurs au lieu d’un seul bit, dans des dispositifs de seulement quelques atomes d’épaisseur. De telles jonctions magnétiques tunnel multiniveaux et ultra‑minces pourraient un jour contenir beaucoup plus d’information sur la même surface et permettre de nouveaux types d’architectures de calcul inspirées du cerveau ou éco‑énergétiques.

Citation: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

Mots-clés: jonctions magnétiques tunnel, aimants 2D tordus, mémoire multiniveaux, CrSBr, spintronique