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La magnétorésistance géante Histoire dune découverte P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007 A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique 2007 1988 Fe Cr.

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1 La magnétorésistance géante Histoire dune découverte P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007 A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique Fe Cr

2 et de ses applications PtMn (200 Å) CoFe (20 Å) NiFe (20Å) IrMn (60Å) Ru (50 Å) Ta (50 Å) Al 2 O 3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008 Capteur GMR dans une tête de lecture de disque dur 1997 de la magnétorésistance géante (GMR) à lélectronique de spin Histoire dune découverte F. Hippert Professeur à Phelma spintronique

3 Lélectron a une charge électrique (-e avec e >0) Au moment cinétique est associé un moment magnétique qui lui est proportionnel J. J. Thomson Prix Nobel de Physique 1906 W. Pauli Prix Nobel de Physique 1945 SPIN Origine quantique P. Dirac Prix Nobel de Physique 1933 et un moment cinétique intrinsèque Cours de Physique Quantique Deux états possibles de la composante selon un axe Oz ou updown e e z

4 En électronique conventionnelle la charge est manipulée par des champs électriques Le spin de lélectron est ignoré Lélectronique de spin manipule la charge et le spin des matériaux particuliers

5 1-1 : Notions de transport électronique Partie 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1-2 : Notions de magnétisme 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

6 Conduction dans un métal en ignorant le spin Cristal imparfait : impureté Collision élastique sur limpureté Cristal parfait 1-1 : Notions de transport électronique Collision due aux vibrations atomiques Cu = un cristal dions Cu + et des électrons libres délocalisés Cristal imparfait : vibration atomique

7 Conduction dans un métal en ignorant le spin Cu v 0 = m.s -1 à 4 K = s l = 3.2 mm à 300 K = s l = 43 nm Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen 1-1 : Notions de transport électronique l

8 En labsence de champ électrique : vitesse moyenne nulle Conduction dans un métal en ignorant le spin 1-1 : Notions de transport électronique La charge de lélectron est -e avec e >0 En présence dun champ électrique : vitesse moyenne non nulle

9 Conduction dans un métal en ignorant le spin Densité de courant A.m -2 j 1-1 : Notions de transport électronique n: nombre délectrons « libres » participant au transport σ conductivité résistivité L S j

10 Conduction dans un métal en tenant compte du spin Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment N. Mott Prix Nobel de Physique 1977 e e e e ou Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip) se produisent au bout dun temps idée Mott (1936) : Modèle à deux courants 1-1 : Notions de transport électronique

11 Conséquences du modèle à deux courants On peut ignorer le spinOn ne peut pas ignorer le spin j =j e e j j Cas du fer j >j Cas du cuivre e e j j Preuve expérimentale : Thèse A. Fert (I. Campbell) Orsay : Notions de transport électronique

12 I > I I I Conséquences du modèle à deux courants pour la conduction dans le fer j >j

13 1-1 : Notions de transport électronique Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ? Le fer est un métal ferromagnétique

14 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte

15 - En dessous dune température critique T c, en champ appliqué nul, tous les moments sont parallèles 1-2 : Notions de magnétisme - Il existe des atomes porteurs dun moment magnétique Existence dun moment macroscopique spontané ferromagnétisme at M = N at Quest ce quun matériau ferromagnétique ?

16 1-2 : Notions de magnétisme nm Structure du fer T c = 1043 K à 300 K at = 2 B par atome de Fer B = A.m 2 Le fer : un exemple de métal ferromagnétique Les électrons d restent localisés. Responsables de lexistence du moment magnétique localisé sur chaque atome de fer Les électrons s sont libres. Responsables du caractère métallique Fer : [Ar] 4s 2 3d 6 at Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe 80 Ni 20 (permalloy), Co

17 Conduction dans un métal ferromagnétique (Fe, Ni, Co) Leur sens up ou down est défini par leur orientation par rapport au moment ferromagnétique Les électrons s conduisent le courant électrique 1-2 : Notions de magnétisme e parallèle à M anti parallèle à e M up down

18 Induction magnétique B : ordre de grandeur 1-2 : Notions de magnétisme 1Gauss = Tesla En laboratoire on sait produire B de 0 à 20 T Champ lu par une tête de lecture dun disque dur : 0.01 T Champ créé par une tête décriture dun disque dur : < 1 T Champ terrestre T

19 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme a : La découverte b : principe de la GMR 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin c : lhistoire de la GMR à Orsay 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte

20 Quest ce que la magnétorésistance ? Le fait que la résistance dépende du champ appliqué Avant 1988 : dans les matériaux ferromagnétiques « massifs » Phénomène de magnétorésistance anisotrope (AMR) 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 1988 : découverte indépendante et simultanée à Orsay et à Jülich dun effet de magnétorésistance géante (GMR)

21 2075 citations Fe métal ferromagnétique 3 nm Cr métal non magnétique 0.9 nm Bicouche répétée 60 fois Epaisseur totale : 230 nm GMR V I 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte

22 B = 0B > B s Etat anti parallèle Magnetic field (kG) Etat parallèle B < - B s Etat parallèle T = 4.2 K 1988 A. Fert B s = 2 T T = 4.2 K 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte BsBs 10 kG = 1 T

23 667 citations Fe 1.2 nm Cr 1 nm Tricouche Brevet Avril 1988 Epaisseur : 3.2 nm 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte

24 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme a : La découverte b : principe de la GMR 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin c : lhistoire de la GMR à Orsay 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte

25 Quels ingrédients nécessaires ? alternance de couches de métal ferromagnétique et de métal normal Fe / Cr Co / Cr Ni 80 Fe 20 / Ag Dans le métal ferromagnétique : 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Une multicouche : Epaisseur totale <<

26 Comment choisir les matériaux, les épaisseurs ? Quelle influence des interfaces ? Quels ingrédients nécessaires ? 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Etat parallèle de la multicouche Un couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives tel que en champ nul B Sous champ B > B s Etat antiparallèle de la multicouche

27 Transport dans une multicouche e Etat anti parallèle de la multicouche e et e définis par rapport au moment de la première couche traversée I = I e e I > I e e 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR e e Etat parallèle de la multicouche

28 Calcul de la GMR : asymétrie de spin propriété du ferromagnétique + INTERFACES 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR e e e e

29 en champ nul ? 711 citations 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR 1986 P. Grünberg Pourquoi

30 Il existe une énergie de couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives via la couche métallique non magnétique Le signe de J dépend de lépaisseur du métal normal Pour le Cr J 0 pour 2 nm 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Si J >0, en champ nul M1M1 M2M2 Si J >0, sous champ M1M1 M2M2 B Contrôle des épaisseurs

31 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme a : La découverte b : principe de la GMR 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin c : lhistoire de la GMR à Orsay 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte

32 Pourquoi 1988 à Orsay ? Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique Pour exploiter cette différence de résistivité dans une multicouche Il faut que les épaisseurs des couches < quelques nm 1 nm Cr = 3 couches atomiques 1/ la possibilité de réaliser les multicouches avec des interfaces de qualité suffisante / lexistence du couplage déchange connue P. Grünberg c : La Magnétorésistance géante / lhistoire de la GMR à Orsay

33 machine dépitaxie à jet moléculaire En 1988 une machine dépitaxie existait au laboratoire central de Thomson Techniques de dépôt sous ultra-vide couche par couche 1-3-c : La Magnétorésistance géante / lhistoire de la GMR à Orsay

34 A. Fert en 2003 Médaille dor du CNRS Le premier enseignement que je tire de laventure est que les avancées technologiques ont en général des racines très anciennes en recherche fondamentale. La magnétorésistance géante et lélectronique de spin ne sont pas nées par génération spontanée en Dans les années 30, le prix Nobel de physique Sir Nevill Mott avait déjà proposé que le spin intervienne dans la conduction électrique. La confirmation expérimentale et le développement de modèles datent des années 1970 (Orsay (A. Fert / I. Campbell), Strasbourg, Eindhoven) Mais fabriquer des structures artificielles à léchelle du nanomètre était impensable à lépoque. Le passage à la GMR et à lélectronique de spin est ensuite venu de la conjonction des idées de physique fondamentale que nous avions développées vers 1970 et des progrès des techniques délaboration de nanostructures au milieu des années 80.

35 Pouvait on prévoir lamplitude de leffet GMR ? Oui et non Oui sur la base des travaux des années 1970 Mais on pouvait craindre que les défauts structuraux et la rugosité des interfaces ne détruisent le contraste entre et en introduisant par exemple des mécanismes qui « flippent » le spin A. Fert en 2008 Discours lors de la remise du Prix Nobel La chance a été que les interfaces ajoutent une diffusion qui dépend du spin comme celle à lintérieur de la couche de Fe 1-3-c : La Magnétorésistance géante / lhistoire de la GMR à Orsay

36 1-1 : Notions de transport électronique 1- 3 : Quest ce que la magnétorésistance géante ? 1-2 : Notions de magnétisme 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1 / La magnétorésistance géante : histoire dune découverte

37 Vers les applications Epitaxie à jet moléculaire Dépôt lent impossible à utiliser pour une production de masse 1988 A. Fert / P. Grünberg Dépôt par technique de pulvérisation ça marche !!! 1990 S.S.P. Parkin (IBM Almaden, USA) (Fe/Cr, Co/Ru et Co/Cr) Peut on obtenir un effet GMR important à température ambiante et dans un champ faible ? 1991 B. Dieny et al (IBM Almaden, USA) OUI !!! 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin

38 545 citations Vanne de spin 1/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées Augmenter lépaisseur de la couche de métal normal : Cu 2 nm 2/ Bloquer la direction de laimantation dune des couches ferromagnétiques par interaction avec une sous-couche adaptée (antiferromagnétique) 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin

39 1Oe = 1G = T Dieny et al 1991 Couche ferromagnétique libre Ni 80 Fe nm Couche ferromagnétique « piégée » Ni 80 Fe nm Couche métallique non magnétique (Cu 2 nm) Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) : son rôle est de bloquer laimantation de la couche ferromagnétique ou Changement détat parallèle à anti parallèle en champ très faible RPRP R AP 20%

40 La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire dune découverte 3/ De la magnétorésistance géante à lélectronique de spin 2 / Les applications de la GMR PAUSE


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