Un nouvel élément spintronique pour les circuits neuromorphiques

Les chercheurs de l'Irig ont développé un nouveau type de memristor magnétique compact basé sur la variation de la conductivité d'une jonction tunnel magnétique de taille nanométrique. Une première étape a été franchie vers la réalisation d'un circuit neuromorphique dont le fonctionnement vise à imiter le fonctionnement d'une synapse, et par extension, du cerveau.

Le calcul neuromorphique est une technologie bio-inspirée qui vise à imiter le fonctionnement du cerveau. Il pourrait être utilisé pour des applications économes et rapides grâce à l'implémentation de réseaux de neurones et de synapses artificiels. Pour réaliser un circuit neuromorphique, il faut pouvoir disposer d'un composant électronique dont le fonctionnement se rapproche le plus possible de la synapse biologique. La question qui se pose alors est de savoir s'il est possible de mimer le comportement d'une synapse en utilisant les outils de la spintronique ?

Comment fonctionne une synapse ?

Une synapse reçoit de la part des neurones entrants des signaux excitateurs et inhibiteurs. Elle transmet le potentiel d'action si la somme des signaux excitateurs et inhibiteurs est supérieure à un certain seuil. Transposé à la spintronique, ce mécanisme nécessite de disposer d'un composant électronique dont l'état varie de façon monotone avec les signaux qu'il reçoit, positivement ou négativement.

Les chercheurs de l'Irig ont travaillé sur l'implémentation d'un tel composant électronique, le "memristor". Ce nouveau memristor spintronique est basé sur les jonctions tunnel déjà utilisées dans les mémoires magnétiques. Rappelons que les jonctions tunnels sont constituées de deux couches magnétiques séparées par une fine couche isolante. Le courant électrique traverse celle-ci par effet tunnel, d'où le nom de l'élément. La résistance de la jonction est fonction de l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques. L'une des couches, nommée couche de référence, a une aimantation fixe. Elle est appelée couche de référence. L'aimantation de la seconde peut varier, par exemple grâce à l'application d'un champ magnétique. En temps normal, pour une application de mémoire conventionnelle où seuls deux états sont recherchés, ("zéro" ou "un", les aimantations sont parallèles (P) ou antiparallèles (AP) (Figure).

L'histoire est très différente si l'ambition est de mimer une synapse. Dans le memristor, l'aimantation de la couche libre peut tourner et prendre différentes orientations, ce qui génère plusieurs valeurs possibles de résistance. De plus ces valeurs dépendent du sens du courant électrique qui traverse la jonction, ce qui rappelle le fonctionnement d'une synapse en fonction du potentiel excitateur ou inhibiteur. Ainsi, une première étape a été franchie par les chercheurs de l'Irig vers la réalisation d'un circuit neuromorphique.


Références:
Mansueto M, Chavent A, Auffret S, Joumard J, Vila L, Sousa RC, Buda-Prejbeanu LD, Prejbeanua IL and Dieny B
Spintronic memristors for neuromorphic circuits based on the angular variation of tunnel magnetoresistance.
Nanoscale, 2021.