A magnetoelectric random access memory cell based on the stress-mediated magnetoelectric effect that promises extremely low bit-reading and low bit-writing energies.

From the Journal: Applied Physics Letters By AIP News Staff

WASHINGTON, D.C., May 30, 2017 — Today’s computers provide storage of tremendous quantities of information with extremely large data densities, but writing and retrieving this information expends a lot of energy. More than 99 percent of the consumed power of information storage and processing is wasted in the form of heat, a big headache that still has not abated.

A team of researchers from France and Russia has now developed a magnetoelectric random access memory (MELRAM) cell that has the potential to increase power efficiency, and thereby decrease heat waste, by orders of magnitude for read operations at room temperature. The research could aid production of devices such as instant-on laptops, close-to-zero-consumption flash drives, and data storage centers that require much less air conditioning. The research team reported their findings this week in Applied Physics Letters, by AIP Publishing.

Billions of transistors can now be etched onto single chips in a space the size of a dime, but at some point, increasing this number for even better performance using the same space will not be possible. The sheer density of these nanoscopic transistors translates into more unwanted heat along with quantum-level interactions that must now be addressed.

Over the last several years, research has ramped up to explore the magnetic properties of electrons in a phenomenon called the magnetoelectric effect. This effect, often of interest in the field of research known as spintronics, takes advantage of an electron’s spin, instead of its charge. Spins can potentially be manipulated at smaller size scales using far less energy.

Most efforts have focused on reducing the energy of the write operations in magnetic memories, since these operations typically use more energy than read operations. In 2010, the same French and Russian team showed that a combination of magnetoelastic and piezoelectric materials in a magnetoelectric memory cell could allow a 100-fold reduction of the energy needed for the writing process. In the researchers’ latest paper, they show that the same magnetoelectric principle also can be used for read operations with extra-low energy consumption.

“We focused on read operations in this paper because the potential for the writing energy to be very low in magnetoelectric systems means that the energy output will now be higher for read operations,” said Nicolas Tiercelin, co-author of the paper and a research scientist from the Centre national de la recherche scientifique (CNRS) who is conducting research at the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology in Lille, France.

The core of the researchers’ MELRAM memory cell is based on combining the properties of two types of materials by coupling them mechanically. Magnetic alloys — one based on a combination of terbium-cobalt and the other based on iron and cobalt — with thicknesses of a few nanometers are stacked on top of one another. The alloys form a magnetoelastic nanocomposite material whose magnetic spins react to mechanical stress.

These alloys are then placed on a piezoelectric substrate, which consists of relaxor ferroelectrics, exotic materials that change their shape or dimensions when they are exposed to an electric field.

“Together, these materials constitute multiferroic heterostructures in which the control of the magnetic properties is made possible by the application of an electric voltage,” Tiercelin said.

“The nanocomposite multilayer provides strong magnetoelectric interaction at room temperature,” said Vladimir Preobrazhensky, another co-author of the paper and research director at the Wave Research Center, Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences in Moscow. “This interaction is the basic mechanism for control of magnetic states by the electric field. This feature of the magnetoelectric memory is the origin of its extra-low power consumption.”

This research was carried out within the scope of the International Associated Laboratory on Critical & Supercritical phenomena in Functional Electronics, Acoustics & Fluidics – LIA LICS.

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Article title:
Appl. Phys. Lett. 110, 222401 (2017); http://doi.org/10.1063/1.4983717

Alexey Klimov,1,2,3 – Nicolas Tiercelin,2 – Yannick Dusch,2 – Stefano Giordano,2  – Theo Mathurin,2 – Philippe Pernod,2 – Vladimir Preobrazhensky,2,4 – Anton Churbanov,1,5 – Sergei Nikitov,1,5

ABSTRACT

MELRAM cell and the electric scheme for the magnetic state identification

Magnetic memory cells associated with the stress-mediated magnetoelectric effect promise extremely low bit-writing energies. Most investigations have focused on the process of writing information in memory cells, and very few on readout schemes. The usual assumption is that the readout will be achieved using magnetoresistive structures such as Giant Magneto-Resistive stacks or Magnetic Tunnel Junctions. Since the writing energy is very low in the magnetoelectric systems, the readout energy using magnetoresistive approaches becomes non negligible. Incidentally, the magneto-electric interaction itself contains the potentiality of the readout of the information encoded in the magnetic subsystem. In this letter, the principle of magnetoelectric readout of the information by an electric field in a composite multiferroic heterostructure is considered theoretically and demonstrated experimentally using [N×(TbCo2/FeCo)]/[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3](1x)[PbTiO3]x stress-mediated ME heterostructures.

Sputtered Titanium Carbide Thick Film for High Areal Energy on Chip Carbon-Based Micro-Supercapacitors

Manon Létiche, Kevin Brousse, Arnaud Demortière, Peihua Huang, Barbara Daffos,Sébastien Pinaud, Marc Respaud, Bruno Chaudret, Pascal Roussel, Lionel Buchaillot, Pierre Louis Taberna, Patrice Simon, and Christophe Lethien*

The areal energy density of on-chip micro-supercapacitors should be improved in order to obtain autonomous smart miniaturized sensors. To reach this goal, high surface capacitance electrode (>100 mF cm−2) has to be produced while keeping low the footprint area. For carbide-derived carbon (CDC) micro-supercapacitors, the properties of the metal carbide precursor have to be fine-tuned to fabricate thick electrodes. The ad-atoms diffusion process and atomic peening effect occurring during the titanium carbide sputtering process are shown to be the key parameters to produce low stress, highly conductive, and thick TiC films. The sputtered TiC at 10−3 mbar exhibits a high stress level, limiting the thickness of the TiC-CDC electrode to 1.5 µm with an areal capacitance that is less than 55 mF cm−2 in aqueous electrolyte. The pressure increase up to 10−2 mbar induces a clear reduction of the stress level while the layer thickness increases without any degradation of the TiC electronic conductivity. The volumetric capacitance of the TiC-CDC electrodes is equal to 350 F cm−3 regardless of the level of pressure. High values of areal capacitance (>100 mF cm−2) are achieved, whereas the TiC layer is relatively thick, which paves the way toward high-performance micro-supercapacitors.

First published: 31 March 2017
>> DOI: 10.1002/adfm.201606813

© WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

La photonique et les communications sans fil térahertz

« Les communications sans fil térahertz: état de l’art des performances et intérêt des dispositifs issus de la photonique pour le développement des démonstrateurs amont: cet article présente le rôle clé qu’a joué et que joue encore la photonique pour l’avancée dans ce domaine de recherche. Quelques développements récents effectués à l’IEMN y sont présentés »

nature_photonicsAdvances in terahertz communications accelerated by photonics

Tadao Nagatsuma, Guillaume Ducournau & Cyril C. Renaud

Nature Photonics 10, 371–379 (2016) │ Published online 31 May 2016

Abstract:

Almost 15 years have passed since the initial demonstrations of terahertz (THz) wireless communications were made using both pulsed and continuous waves. THz technologies are attracting great interest and are expected to meet the ever-increasing demand for high-capacity wireless communications. Here, we review the latest trends in THz communications research, focusing on how photonics technologies have played a key role in the development of first-age THz communication systems. We also provide a comparison with other competitive technologies, such as THz transceivers enabled by electronic devices as well as free-space lightwave communications.

Examples of THz links using photonics-based transmitters.

IEMN

Enabling technologies based on photonics and new materials for future THz communications.
 IEMN

 

 

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Nanoécole Lille, on en parle …

Passionnée, Patricia Lefebvre a expliqué son métier par le concret

Passionnée, Patricia Lefebvre a expliqué son métier par le concret

 

 

Auchel : une ingénieure du CNRS compte sur la relève des élèves de Lavoisier

Susciter des vocations, des projets de carrière scientifique, parmi les élèves de terminale, première et seconde, c’était bien là l’objectif d’Alberto Da Silva, professeur de physique à Lavoisier lorsqu’il a organisé la venue de Patricia Lefebvre, ingénieure au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) de l’IEMN (Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) à l’Université de Lille 1.

 

 

Vendredi, plus de deux cents élèves ont profité de la rencontre, avec des interventions adaptées au programme de chaque niveau. Les nanotechnologies et le nanomonde, illustré par quelques petites expériences. Patricia a aussi parlé de son laboratoire, où travaillent cinq cents personnes, et de tous les métiers nécessaires à son bon fonctionnement : techniciens, opérateurs, chercheurs, ingénieurs…

« Nous avons besoin de plus en plus de compétences différentes. Plus tard, dans votre métier, on vous demandera d’être compétent là où vous êtes. On espère que vous, lycéens, prendrez la relève », souffle-t-elle.

Pour le professeur de physique, cet échange est à reconduire.

« Même si cela ne crée que quatre vocations, eh bien ce sera déjà cela. Le message que nous, professeurs, véhiculons au quotidien est très important mais qui mieux qu’une ingénieure pour parler de son métier. Il est important de multiplier les discours. D’autant plus qu’il s’agit ici d’une femme et qu’elles ne sont pas assez dans le domaine scientifique alors qu’il y a plus de filles que de garçons qui obtiennent un bac S. »

 

Publiée le 23/05/2016, La Voix du Nord

Voix du Nord

L’IEMN présent dans une interview sur la WikiRadio du CNRS

Retrouvez Les rendez-vous de l’innovation sur la Wikiradio du CNRS, la webradio participative de la recherche scientifique pour dépasser les frontières !

Dans le cadre de la 9ème édition des RUE ( http://www.rue-aef.com/sc2016/ ), salon professionnel de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, Groupe AEF et le CNRS organisent la 2ème édition de « Start-up Connexion, Les Rencontres Investisseurs & Chercheurs-entrepreneurs ». Ce projet de rencontres vise d’une part, à valoriser, auprès du public des RUE 2016, des start-up issues de la recherche académique. Il permet, d’autre part, de soutenir des chercheurs-entrepreneurs innovants en leur offrant l’opportunité de rencontrer des investisseurs et des industriels désireux de les accompagner dans leur processus de création de valeurs.

Ecoutez le podcast (Podcast du 15 décembre 2015 à 17h00 durée: 29 minutes)



Interviews animés par Brigi
tte Perucca,
Directrice de la communication du CNRS

 

Invité : Nicolas CastoldiCNRS Dépasser les frontières

Délégué général du CNRS à la valorisation, il est en charge de trois missions :

  • l’accélération et la simplification des processus de valorisation,
  • l’affirmation d’une relation partenariale fluide et structurée dans ce domaine,
  • et une maîtrise renforcée des coûts financiers associés à l’exercice de cette mission.
    Il exerce également une mission de pilotage stratégique de la fonction juridique au sein de l’organisme.

Invité : Norbert Benamou

Président du réseau SATT et de la SATT Nord

Invité : Arnaud Devos

Directeur de recherche CNRS à l’IEMN, Arnaud Devos est Président de Menapic, une start-up issue de travaux de recherche menés par l’IEMN. Menapic a pour activités principales : – la prestation de service pour les entreprises : la mesure de propriétés mécaniques, notamment l’élasticité, à l’échelle micro et nanoscopique ; – le développement et la vente d’appareils de mesure de propriétés mécaniques à échelle micro et nanoscopique pour les industriels.

Invitée : Danielle Deruy

Directrice générale du Groupe AEF, en charge du développement. Elle organise notamment le concours Start Up connexion.

Invité : Laurent Kott

PDG de IT-translation, coach des candidats au concours start-up connexion 2016. IT-Translation est l’investisseur et le cofondateur des startups techno-numériques issues de la recherche.

Invité : Sylvain Ballandras

Président de frec|n|sys. frec’n’sys conçoit, produit et commercialise des capteurs passifs, sans-fil et identifiables évoluant exclusivement en environnements sévères. Résistants à des températures supérieures à 500°C, ils permettent de récolter toutes informations physiques: température, accélération, pression, couple…