Disques durs: Des têtes de lecture à oscillateurs magnétiques

Des têtes de lecture à l'échelle nanométrique

Le magnétisme est à la base de la majorité des technologies de stockage de données depuis 80 ans. Récemment, la vitesse de lecture des données a cessé d’augmenter. Selon une démarche favorisant la réutilisation des anciennes technologies, la société américaine Hitachi GST suggère une simple réutilisation des têtes de lecture classiques mais selon une manière totalement différente et innovante.

llLe magnétisme est à la base de la majorité des technologies de stockage de données depuis les années 30. Récemment, la vitesse de lecture des données a cessé d’augmenter. Selon une démarche favorisant la réutilisation des anciennes technologies, la société américaine Hitachi GST suggère une simple réutilisation des têtes de lecture classiques mais selon une manière totalement différente et innovante.

  
Disque dur : La tête de lecture est un petit capteur de champ magnétique qui se déplace au-dessus de chaque bit de mémoire pour « lire » chaque information en détectant la direction de l'aimantation des bits.
 
HDD

 

Des nano-capteurs de champ magnétique

Cela fait 10 ans maintenant que les têtes de lecture de nos disques durs sont des capteurs de champ magnétique dits « capteurs MR » car magnétorésistifs. En effet, ces ‘capteurs MR’, de taille nanométrique, utilisent le principe de magnétorésistance géante découvert en 1988 par les équipes de recherche de Albert Fert (Orsay, France) et de Peter Grünberg (Jülich, Allemagne). En résumé, la magnétorésistance géante implique que la résistance électrique d’un élément composé de deux couches magnétiques soit différente suivant que les aimantations (couramment représentées par une flèche reliant le pôle Sud du pôle Nord d’un aimant) des deux couches soient orientées dans le même sens ou en sens opposé.

 

La magnétorésistance géante : L’élément A est composé de deux couches magnétiques dont les directions sont parallèles. La résistance électrique de A est faible. Dans l’élément B, au contraire, les directions d’aimantation sont opposées. La résistance électrique de B est élevée. En conséquence, un élément dont une des directions d’aimantation se « retourne » change de résistance.
GMR résistances

Ce phénomène dit de « magnétorésistance » trouva rapidement une application dans l’industrie des capteurs de champ magnétique et plus spécifiquement pour les têtes de lecture des bits magnétiques. En effet, en présence d’un bit écrit grâce à la direction de son aimantation, la direction de l’une des deux aimantations de l’élément s’aligne avec celle du bit. Ainsi, lorsque l’élément utilisé comme capteur de champ se trouve proche d’un bit “0” puis d’un bit “1”, ou vice-versa, on observe un renversement de la direction de la seconde aimantation.

Le capteur MR est donc un petit aimant dont une des deux directions d’aimantation est soit dirigée vers la droite s’il lit un bit “0” soit vers la gauche s’il lit un “1”. Une lecture de la résistance de l’élément, nous donne alors une lecture de l’information binaire !

Hitachi GST brevète les têtes de lectures à oscillateurs magnétiques

Néanmoins, les « capteurs MR » ont leurs propres limites et ne pourront plus être utilisés lorsque la taille des bits codant une donnée deviendra inférieure à 50 nm. A ce stade, une nouvelle transition technologique est donc inévitable. C’est pourquoi une course aux prochaines têtes de lecture s'est lancée entre les fabricants afin de dépasser 2 Tbit/inch2 de capacité de stockage tout en maintenant des qualités compétitives en terme de taille et de vitesse de lecture.

De nombreux prototypes ont été présentés à ce jour mais ni les mémoires à base de nanotubes de carbone, ni les mémoires organiques n’ont pu satisfaire à tous les critères à la fois. Il semble donc que la transition vers une nouvelle technologie de stockage soit difficile et les défis à relever s'avèrent nombreux.

Parmi les concurrents de cette course technologique, la société Hitachi GST se détache du lot. En décembre 2010, l’équipe de recherche basée à San José en Californie a breveté une nouvelle technologie de têtes de lecture de disques durs 1.  Ce qui est remarquable dans ce brevet est que l’entreprise américaine ne propose pas de technologie novatrice mais de réutiliser de manière innovante les anciens « capteurs MR », plus propice à la miniaturisation.

L’oscillateur magnétique : Une « seconde vie » pour les têtes de lecture actuelles

L’entreprise Hitachi GST propose d’utiliser maintenant ce même nano-aimant non plus comme un interrupteur dont une aimantation bascule vers la droite ou vers la gauche lors de la lecture d'un “0” ou d'un “1”, mais comme un oscillateur dont la fréquence de rotation serait différente pour un “0” ou “1”. Il sera alors possible de lire un ensemble de données par l’intermédiaire de la fréquence de l’oscillateur.

La lecture de fréquence en temps réel est une technique qui est très bien maîtrisée. Pour preuve l'utilisation quotidienne de la modulation de fréquence (FM) en radiodiffusion. La vitesse de lecture passerait alors de 150 ns (la vitesse actuelle de lecture d’un bit) à 10 ns. C’est-à-dire 15 fois plus vite! Alors à quand les nano-oscillateurs magnétiques dans nos disques durs?

Question technique : Qu’est-ce qui oscille dans l’oscillateur magnétique? La direction de la deuxième aimantation! Celle-ci, n’est alors plus seulement horizontale (vers la droite ou vers la gauche). Sa direction oscille au cours du temps! Voici l’oscillateur magnétique!

Aimantation
La direction de l'aimantation de l'élément peut être manipulée. On la fait ainsi osciller et la fréquence de rotation "lit" le bit.

Question théorique: Comment manipule-t-on la direction d’une aimantation ? Cela n’est pas chose aisée mais dès 1988 une nouvelle théorie appelée le « transfert de spin » prédisait que grâce à un courant d’électrons, on pourrait manipuler une aimantation et ainsi en faire un oscillateur.

Dans un prochain article dédié au magnétise moderne, nous reviendrons plus en détails sur « interactions » entre courant d'électrons et aimantation. Ces phénomènes complexes constituent une discipline appelée la spintronique, ou « électronique de spin », aujourd’hui en pleine expansion et dont les promesses d'applications en enregistrement de données, électronique, optoélectronique et information quantique sont multiples. D'ici là, nous proposons aux lecteurs qui veulent en savoir plus de lire un article proposant un résumé de ces applications.

(c) Mikko Pitkänen - Fotolia.com

En savoir plus:

1) Spin torque oscillator sensor patent, B.A. Wilson, B.A. Gurney, P.M. Braganca, 2010 : USpatent

2) Spin transfer torques, D.C. Ralph et M.D. Stiles, JMMM 320, 2008, Un article en anglais introduisant le transfert de spin à un niveau accessible aux étudiants de Master (Université de Cornell, NY) http://people.ccmr.cornell.edu/~ralph/papers/JMMM-320-1190-2008.pdf

3) « Spintronique, le spin s'invite en électronique », C. Chappert et le prix Nobel 2007 A. Fert, Images de la physique, 2007, http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/30Chappert.pdf