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Comment les aimants de votre frigo servent-ils dans les disques durs ?

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Dans les disques durs, les données sont stockées grâce au magnétisme.
Dans les disques durs, les données sont stockées grâce au magnétisme.
© Getty - Ruben Martinez

Au Palais de la découverte, l'exposition "Magnétique" rappelle que le magnétisme ne se réduit pas à des aimants, mais que ce phénomène physique est indispensable à notre quotidien : il est notamment la clé de tous nos systèmes d'enregistrement d'informations.

Il est présent partout : dans nos ordinateurs, dans nos smartphones ou encore dans les plaques à induction qui trônent dans nos cuisines… Indispensable à notre quotidien, le magnétisme est pourtant invisible et méconnu. La courte exposition "Magnétique", qui se tient au Palais de la découverte à Paris jusque fin novembre, s'attache à révéler les origines de ce phénomène physique. Le magnétisme n'a en effet pas pour unique utilité de coller des aimants sur les portes de nos frigidaires : il est la porte d'entrée vers de nombreux progrès technologiques actuels et futurs, au rang desquels la capacité à enregistrer des données.

Du macroscopique au microscopique : comment fonctionne le magnétisme ? 

S'il est invisible, le magnétisme est néanmoins un phénomène observable grâce aux aimants, dont on peut ressentir les forces d'attraction ou de répulsion. Mais pourquoi un aimant attire-t-il certains matériaux et non d'autres ? Pour comprendre son fonctionnement précis, il convient de plonger profondément dans la matière, à l'échelle des atomes. C'est là que se crée le magnétisme, comme l'explique Clémentine Bouyé, médiatrice scientifique en physique du Palais de la découverte :

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Si on prend un atome de fer, on a le noyau de l'atome chargé positivement, et autour les électrons. On sait que chaque électron a une charge électrique. Ce que l'on sait moins, c'est qu'il a aussi ce qu'on appelle un spin, qui est une propriété magnétique. Si on simplifie beaucoup, on peut modéliser un électron comme un petit aimant, comme s'il avait un petit champ magnétique : c'est une propriété intrinsèque.

Les électrons (en noir), autour du noyau de l'atome, ont une charge électrique négative mais aussi un spin, ou "moment magnétique".
Les électrons (en noir), autour du noyau de l'atome, ont une charge électrique négative mais aussi un spin, ou "moment magnétique".
© Getty - Matspersson0

Ce spin, aussi appelé "moment magnétique élémentaire" est quantifié : il peut être orienté dans un sens ou dans un autre - on parle alors de spin up ou de spin down.

Mais si les électrons possèdent tous un spin, alors pourquoi tous les matériaux ne sont-ils pas aimantés ? Cela dépend en réalité du nombre d'électrons et de la façon avec laquelle ils sont organisés autour du noyau : certains atomes peuvent alors acquérir une aimantation et se comporter eux-mêmes comme de petits aimants. Ensuite, l'organisation de ces atomes entre eux contribue aussi aux propriétés de la matière : c'est ainsi que certains matériaux possèdent alors une aimantation propre (les aimants !), alors que d'autres seront susceptibles de réagir au champ magnétique créé par un aimant (les alliages à base de fer qui sont attirés par les aimants), et enfin que d'autres ne semblent pas réagir à la présence d'un aimant (la majorité des matériaux).

"Lorsque les atomes peuvent être modélisés comme des petits aimants, il y a quelques matériaux dont les atomes s’organisent en "domaines magnétiques", précise Clémentine Bouyé. Ces matériaux sont capables de s’aimanter très fortement. Ce sont les matériaux ferromagnétiques, dont les principaux sont le fer, le cobalt et le nickel".

Si on zoome dans la matière ferromagnétique, on y trouve une organisation en domaines magnétiques, d'échelle microscopique, à l'intérieur desquels des milliers d'atomes ont leurs aimantations alignées dans la même direction. Si vous vous déplacez un peu, vous arrivez dans un autre domaine et là c'est pareil :  il y a un certain nombre d'atomes, avec leurs aimantations alignées dans une autre direction. 

Chaque domaine possède une direction d'aimantation propre. Les directions des aimantations de ces domaines étant aléatoires, leur résultante est donc nulle.

En revanche, lorsque l'on approche un aimant d'un matériau ferromagnétique, les orientations des domaines magnétiques qu'il comporte vont évoluer pour s'aligner dans une même direction, celle de l'aimant : le matériau va ainsi être attiré par le champ magnétique de l'aimant.

Représentation de l'orientation des domaines avant et après l'application d'un champ magnétique.
Représentation de l'orientation des domaines avant et après l'application d'un champ magnétique.
- r4lex - Wikimédias commons

Des 0 et des 1 : du magnétisme dans nos disques durs

Mais comment ce principe d'aimantation, grâce à ces matériaux, est-il utilisé au quotidien ? Les inventions qui utilisent les champs électro-magnétiques sont nombreuses, mais celle qui a sans conteste possible révolutionné la technologie moderne n'est autre que le disque dur. Ce support bien connu, inventé dès les années 1950, permet d'enregistrer des informations et n'a eu de cesse de faire l'objet de recherches pour augmenter sa capacité de stockage : de vos photographies de vacances et selfies à vos textes tapés au clavier, tout est stocké grâce au magnétisme. 

Le magnétisme permet d'enregistrer une information sous forme binaire, par une aimantation orientée soit dans un sens, soit dans l'autre sens. Et ce codage binaire de l'information va être suffisant pour stocker l'intégralité de nos données informatiques. "Dans un disque dur, on a une bande magnétique sur laquelle on va être capable de définir de très petites zones d'aimantations contraires, qui vont correspondre à des 0 et 1", vulgarise Clémentine Bouyé. Un bit, c'est-à-dire un 0 ou un 1, c'est ce qui définit le code binaire utilisé pour coder les informations. La lettre "M", par exemple, équivaut au code binaire "01001101".  

Pour écrire l'information, la tête de lecture est parcourue par un courant électrique : il s'accompagne de la création d'un champ magnétique, dans un sens ou dans l'autre selon le sens du courant. Ce champ va permettre d'aimanter une petite zone sur la bande magnétique du disque dur. Dans un sens ce sera un 0 et dans l'autre sens un 1.

A l'inverse, une tête de lecture permet ensuite de lire l'information inscrit sur la bande magnétique. La boucle est bouclée.

La Méthode scientifique
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Toujours plus de mémoire ? 

Pour pouvoir inscrire toujours plus d'informations sur ces bandes magnétiques, il a fallu cependant miniaturiser les zones sur lesquelles coder ces 0 et ces 1. Problème : pour cela il faut parvenir à miniaturiser une sorte de "sainte trinité" du stockage, c'est-à-dire non seulement le support magnétique, mais également les têtes d'écriture et de lecture qui l'accompagnent.

Au cours des années 1980, "on était parvenus à une situation où on était capable de miniaturiser énormément les têtes d'écriture, et de diminuer la taille du bit élémentaire [le 0 ou le 1, ndlr] mais où l'on n'arrivait pas à miniaturiser suffisamment les têtes de lecture. Ce sont ces têtes de lecture qui ont limité, pendant toute une période, l'évolution de l'ordinateur", précise Hélène Fischer, membre de l'équipe Nanomagnétisme et électronique du spin de l'institut Jean Lamour, unité mixte de recherche CNRS - université de Lorraine

Depuis les années 90, grâce aux progrès des techniques de l'ultra-vide, on est capable de fabriquer de nouveaux matériaux aux propriétés nouvelles : on sait ainsi réaliser des couches minces monocristallines de divers matériaux d'épaisseur nanométrique.

Ainsi, les chercheurs ont observé qu'après avoir traversé certaines couches magnétiques d'épaisseur nanométrique, un courant d'électrons ne contient plus que des électrons ayant tous la même direction de spin. "On retrouve donc un courant qui ne contient plus qu'une population d'électrons, s'enthousiasme Hélène Fischer. C'est assez extraordinaire : ça veut dire qu'on a fabriqué un filtre à électrons".

En alternant les couches de matériau (une couche de matériau non-magnétique intercalée entre deux couches de matériaux magnétiques), les chercheurs parviennent ainsi à créer des dispositifs qui laissent ou non passer le courant selon la direction de l'aimantation de leurs couches magnétiques. C'est le principe de la "magnétorésistance géante" découvert en 1988 par les chercheurs Albert Fert et Peter Grünberg (qui leur vaudra d'être récompensés du prix Nobel de physique en 2007).  Ce principe est utilisé dans les têtes de lecture de nos ordinateurs :  les 0 et les 1 stockés sur le disque dur sous forme de petites zones successives d'aimantations sont détectés par la tête de lecture à magnétorésistance géante qui devient alternativement passante ou non passante au courant qui la traverse, selon la direction de l'aimantation de la zone au-dessus de laquelle elle se trouve. "On a transformé le codage magnétique de l'information sur le disque, en un codage électrique en fonction de la circulation ou non d'un courant", explique Hélène Fischer :

Ce système consomme très peu d'énergie. Il est intrinsèque : son principe de fonctionnement appartient à la construction du matériau lui-même.

La Méthode scientifique
57 min

Limites physiques du magnétisme : une lumière au bout du tunnel ? 

Après avoir trouvé comment régler les problèmes de têtes de lecture, c'est à nouveau au support, le média, de faire l'objet de recherches visant à augmenter la densité de stockage. Avec un nouvel obstacle difficilement franchissable, une limite physique : 

Au bout d'un moment, on rencontre un problème intrinsèque de stabilité. En fait, en diminuant encore et toujours la taille de ces petites zones magnétiques portant l'information propre à chaque bit, on finit par atteindre une limite en dessous de laquelle leur aimantation n'est plus stable. C'est la limite superparamagnétique. 

A l'heure actuelle, on est capable de diminuer la taille des bits jusqu'à leur donner une surface minuscule de 10 nanomètres par 50 nanomètres (1 nanomètre équivalent un milliardième de mètre) en utilisant des matériaux de grande rigidité magnétique, et ce afin d’éviter que les bits ne "flippent" - un 0 pouvant devenir un 1 et vice versa - à température ambiante. Mais, cette grande rigidité magnétique des matériaux rend l'écriture des données plus difficile : une nouvelle technologie vient d'être développée, la Heat Assisted Magnetic Recording, qui permet de réchauffer puis de refroidir en l'espace d'une nanoseconde la surface magnétique sur laquelle est inscrite un bit d'information. Ce système devrait permettre d'obtenir des disques durs standards permettant de stocker entre 40 et 50 terraoctets d'ici à 2025. Mais les limites physiques du magnétisme sont de plus en plus difficiles à contourner pour les chercheurs. 

"Chez nous, au laboratoire, on travaille à une écriture sans champ magnétique. Il s'agit d'une recherche fondamentale, très prometteuse mais non encore aboutie", raconte de son côté Hélène Fischer. 

Pour changer l'orientation magnétique d'un bit, Hélène Fischer et son équipe utilisent en effet la lumière : 

Nous nous sommes rendus compte que, lorsque l'on est à l'échelle de l'infiniment petit, [...] il peut exister des interactions entre des impulsions de la lumière polarisée d'un laser (sur des fractions de seconde, on est sur du 10^−15 secondes, de la dizaine de femtosecondes) et la direction de l'aimantation des zones ayant reçu les impulsions laser ultrabrèves. [...] Là, on est dans la découverte de nouvelles propriétés de la matière et une fois qu'on les aura maîtrisées, on pourra développer des techniques nouvelles. Cette découverte s'appelle All-Optical Switching. C'est le switch de l'aimantation d'un sens à l'autre et all optical ça veut dire uniquement par moyen optique, et donc pas du tout par du champ magnétique ou par du chauffage. 

En vue grâce à cette révolution technologique ? Une consommation d'énergie 10 fois moins importante pour écrire l'information, et près de 10 000 fois plus rapide. Et une utilisation bien plus complexe que celle qui consiste à coller un aimant sur son frigo.