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Jean-Claude Soret La spintronique : quand les électrons se mettent au breakdance GREMAN UMR CNRS 7347 21 Janvier 2014.

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1 Jean-Claude Soret La spintronique : quand les électrons se mettent au breakdance GREMAN UMR CNRS Janvier 2014

2 1. Un rapide historique de lélectronique Sommaire 2. La découverte de la magnétorésistance géante 3. La naissance de la spintronique 4. Développements applicatifs de la spintronique 5. Perspectives

3 1904 : La naissance de lélectronique Invention de la diode à vide John Ambrose Fleming 1890 Invention de la triode à vide Lee De Forest 1906 lancêtre du transistor

4 1947 : Lessor de lélectronique J. Bardeen W. H. Brattain W. Shockley Bardeen, Brattain et Shockley chercheurs aux Bell Labs ont inventé le transistor 1947 Le premier transistor Lauréats du prix Nobel de physique en 1956 pour cette invention La révolution de lélectronique était en marche !

5 1958 : La révolution électronique 1958 Le premier circuit intégré J. C. Kilby ingénieur à Texas Instruments a réalisé la première puce électronique Jack St. Clair Kilby Co-lauréat du prix Nobel de physique en 2000 pour cette réalisation 1961 Le 1 er circuit intégré commercialisé Puce électronique dun diamètre de 1,5 mm 4 transistors et 5 résistances. Le développement de linformatique moderne était lancé !

6 La conjecture de Moore Le nombre de transistors des microprocesseurs double tous les deux ans ! Mais jusquà quand ? Nombre de transistors Une croissance exponentielle

7 1. Un rapide historique de lélectronique Sommaire 2. La découverte de la magnétorésistance géante 3. La naissance de la spintronique 4. Développements applicatifs de la spintronique 5. Perspectives

8 1988 : La découverte de la GMR Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès Université Paris-Sud, Orsay Centre de recherches de Jülich, Allemagne Albert Fert Co-lauréats du prix Nobel de physique en 2007 pour la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) Phénomène de magnétorésistance géante Peter Grünberg M.N. Baibich et al., Physical Review Letters 61,2472 (1988) G. Binash et al., Physical Review B 39, 4828 (1989).

9 Travaux précurseurs à la GMR Il existe une influence du spin des électrons sur leur mobilité dans les métaux et alliages ferromagnétique Modèle de conduction électrique à 2 courants La mobilité peut être très différente pour les électrons de spin et de spin

10 Travaux précurseurs à la GMR Mélange dimpuretés A et B avec des asymétries en spin opposées ou équivalentes Exemple: Ni + impuretés A et B

11 Une couche ferromagnétique « ferme » le canal des électrons de spin Conducteur Couche magnétique Principe de la GMR e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- Conducteur Seuls les électrons de spin sont transmis Electrons de spin et Sens découlement délectrons I e-e-

12 Principe de la GMR e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- Les électrons ne sont pas transmis R est grande Deux couches ferromagnétiques en configuration antiparallèles « ferment » les canaux des électrons de spin et F1 F2 Couche non magnétique Conducteur Sens découlement délectrons I Electrons de spin et

13 e-e- Principe de la GMR e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- F1 F2 Couche non magnétique Conducteur Sens découlement délectrons I B Seuls les électrons de spin sont transmis R est petite Deux couches ferromagnétiques en configuration parallèle « ferment » le canal des électrons de spin Electrons de spin et

14 Des alliages magnétiques aux Chambre dépitaxie par jets moléculaires utilisée pour la croissance de multicouches magnétiques multicouches magnétiques

15 Multicouches Fe/Cr

16 Alignement de laimantation des couches ferromagnétiques en présence dun fort champ magnétique

17 1. Un rapide historique de lélectronique Sommaire 2. La découverte de la magnétorésistance géante 3. La naissance de la spintronique 4. Développements applicatifs de la spintronique 5. Perspectives

18 1990 : Les vannes de spin La 1 ère brique élémentaire de la spintronique

19 1995 : La magnétorésistance tunnel

20 1. Une rapide histoire de lélectronique Sommaire 2. La découverte de la magnétorésistance géante 3. La naissance de la spintronique 4. Développements applicatifs de la spintronique 5. Perspectives

21 Lessor de la spintronique Mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) Têtes de lecture pour disques durs Circuits logiques Composants radiofréquence Capteurs magnétiques

22 Têtes de lecture des disques dures Lécriture des informations H i H i Lignes de champ créées par le courant i Tête décriture Lignes de champ créées par le courant i tours/min 100 nm 25 nm

23 Lecture des informations tête de lecture GMR R R Résistance grande Résistance faible = 0 = 1 Têtes de lecture GMR Têtes de lecture des disques dures

24 Evolution de la capacité des disques durs Gbit/in Gbit/in 2 3 µm 0,2 µm 100 nm 10 nm Disque dur en Mo 1 photo ! Disque dur 1 To 2,5 Millions de photo !

25 1. Un rapide historique de lélectronique Sommaire 2. La découverte de la magnétorésistance géante 3. La naissance de la spintronique 4. Développements applicatifs de la spintronique 5. Perspectives

26 Nouveaux matériaux pour la spintronique Les multiferroïques M. Gajek et al., Nature Materials 6, 296 (2007) LSMO / LBMO (2 nm) /Au LSMO =La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 LBMO =La 0,1 Bi 0,9 MnO 3

27 Nouveaux matériaux pour la spintronique Les semiconducteurs magnétiques dilués D. Chiba et al., Nature 455, 515 (2008) Les matériaux organiques T.S. Santos et al., Physical Review Letters , (2007) Co/Al 2 O 3 (0,6nm)/Alq 3 (1,6nm)/FeNi Alq 3 = tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum

28 spintronique-Reflets_de_la%20Physique.pdf Pour en savoir plus... Reflets de la Physique, Revue de la Société Française de Physique complements/ 324_jan_05/KF_n324_p24-33_w.pdf LA REVUE DU PALAIS DE LA DÉCOUVERTE N°324 Janvier 2005 De la diode de Fleming au transistor, des postes TSF au téléphone portable par Kamil Fadel Dossier spintronique


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