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

Histoire d’une découverte et de ses applications spintronique de la magnétorésistance géante (GMR) à l’électronique de spin Capteur GMR dans une tête de lecture de disque dur 1997 spintronique PtMn (200 Å) CoFe (20 Å) NiFe (20Å) IrMn (60Å) Ru (50 Å) Ta (50 Å) Al2O3 (9 Å) Ru (8 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008 F. Hippert Professeur à Phelma

L’électron a une charge électrique (-e avec e >0) W. Pauli 1900-1958 Prix Nobel de Physique 1945 SPIN Origine quantique P. Dirac 1902-1984 de Physique 1933 et un moment cinétique intrinsèque J. J. Thomson 1856-1940 Prix Nobel de Physique 1906 Deux états possibles de la composante selon un axe Oz ou up down e e z Cours de Physique Quantique Au moment cinétique est associé un moment magnétique qui lui est proportionnel

En électronique conventionnelle la charge est manipulée par des champs électriques Le spin de l’électron est ignoré L’électronique de spin manipule la charge et le spin Spin electronics ou spintronics des matériaux particuliers

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

Conduction dans un métal en ignorant le spin 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin Cristal imparfait : impureté Cristal parfait Collision élastique sur l’impureté Cu = un cristal d’ions Cu+ et des électrons “libres” délocalisés Cristal imparfait : vibration atomique Insister sur impureté sur le dessin Vibrations des atomes qui augmentent quand la tre augmente Collision due aux vibrations atomiques

1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin l Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen Insister sur impureté sur le dessin Vibrations des atomes qui augmentent quand la tre augmente Cu v0 = 1.6 106 m.s-1 à 4 K  = 2 10-9 s l = 3.2 mm à 300 K  = 2.7 10-14 s l = 43 nm

En l’absence de champ électrique : 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin En l’absence de champ électrique : vitesse moyenne nulle En présence d’un champ électrique : vitesse moyenne non nulle La charge de l’électron est -e avec e >0

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

Conduction dans un métal en tenant compte du spin 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en tenant compte du spin Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip) e e ou N. Mott 1905-1996 Prix Nobel de Physique 1977 se produisent au bout d’un temps Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment Idee que tsf dépend de Tre Mott (1936) : Modèle à deux courants idée

Preuve expérimentale : On ne peut pas ignorer le spin 1-1 : Notions de transport électronique Conséquences du modèle à deux courants Cas du cuivre e e j j e e j j Cas du fer Preuve expérimentale : Thèse A. Fert (I. Campbell) Orsay 1970 Comparer j up et j down j = j j > j On peut ignorer le spin On ne peut pas ignorer le spin

Conséquences du modèle à deux courants 1-1 : Notions de transport électronique Conséquences du modèle à deux courants pour la conduction dans le fer j > j I > I I I Raisonner en rho ou R équivalent

Le fer est un métal ferromagnétique 1-1 : Notions de transport électronique Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ? Le fer est un métal ferromagnétique Dire que Cu 3d10 pas de moment localisé car couche d pleine

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

M = N at Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ? at 1-2 : Notions de magnétisme Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ? - Il existe des atomes porteurs d’un moment magnétique at - En dessous d’une température critique Tc , en champ appliqué nul, tous les moments sont parallèles M = N at Existence d’un moment macroscopique spontané ferromagnétisme

Le fer : un exemple de métal ferromagnétique 1-2 : Notions de magnétisme Le fer : un exemple de métal ferromagnétique Les électrons s sont “libres”. Responsables du caractère métallique Fer : [Ar] 4s2 3d6 Les électrons d restent localisés. Responsables de l’existence du moment magnétique localisé sur chaque atome de fer at 0.287 nm Structure du fer Tc = 1043 K à 300 K at= 2 mB par atome de Fer B = 9.274 10-24 A.m2 Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe80Ni20 (permalloy), Co

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

Induction magnétique B : ordre de grandeur 1-2 : Notions de magnétisme Induction magnétique B : ordre de grandeur En laboratoire on sait produire B de 0 à 20 T Champ terrestre 5 10-5 T 1Gauss = 10-4 Tesla Champ lu par une tête de lecture d’un disque dur :  0.01 T Champ créé par une tête d’écriture d’un disque dur : < 1 T

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

Qu’est ce que la magnétorésistance ? 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte Qu’est 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)   1988 : découverte indépendante et simultanée à Orsay et à Jülich d’un effet de magnétorésistance géante (GMR)

GMR V I Cr métal non magnétique 0.9 nm Bicouche répétée 60 fois 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 2075 citations GMR V Parmi les 10 papiers les plus cités I Cr métal non magnétique 0.9 nm Bicouche répétée 60 fois Fe métal ferromagnétique 3 nm Epaisseur totale : 230 nm

T = 4.2 K Bs= 2 T Bs 1988 A. Fert 10 kG = 1 T B < - Bs B = 0 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 1988 A. Fert Bs= 2 T T = 4.2 K T = 4.2 K Bs Magnetic field (kG) 10 kG = 1 T Dire que de 0 à 2 T changement progressif d’orientation des couches Champ et Champ trop élevé et Tre trop basse pour des applications B < - Bs B = 0 B > Bs Etat anti parallèle Etat parallèle Etat parallèle

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

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

Epaisseur totale << 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Quels ingrédients nécessaires ? alternance de couches de métal ferromagnétique et de métal normal Fe / Cr Co / Cr Ni80Fe20 / Ag Dans le métal ferromagnétique : Une multicouche : Epaisseur totale << Nommbre de couches Épaisseur Qualité des interfaces

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

Transport dans une multicouche 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Transport dans une multicouche e Etat parallèle de la multicouche e e Etat anti parallèle de la multicouche e et e définis par rapport au moment de la première couche traversée I = I e e Dire que l Cr supposé très grand I > I e e

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

Pourquoi en champ nul ? 1986 P. Grünberg 711 citations 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Pourquoi en champ nul ? 1986 P. Grünberg 711 citations Pour obtenir la GMR : choisir l’épaisseur de métal non magnétique telle que J < 0

M2 M1 M2 M1 B Il existe une énergie de couplage 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Il existe une énergie de couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives via la couche métallique non magnétique M1 M2 Si J >0, en champ nul M1 M2 Si J >0, sous champ Pour obtenir la GMR : choisir l’épaisseur de métal non magnétique telle que J < 0 B Le signe de J dépend de l’épaisseur du métal normal Pour le Cr J < 0 pour 0.9 nm J > 0 pour 2 nm Contrôle des épaisseurs

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

Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay 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 1988 2/ l’existence du couplage d’échange connue P. Grünberg 1986

machine d’épitaxie à jet moléculaire 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Techniques de dépôt sous ultra-vide couche par couche machine d’épitaxie à jet moléculaire (semi conducteurs) A. Friederich ancien étudiant d’A. Fert En 1988 une machine d’épitaxie existait au laboratoire central de Thomson

Le premier enseignement que je tire de l’aventure est que les avancées technologiques ont en général des racines très anciennes en recherche fondamentale. La magnétorésistance géante et l’électronique de spin ne sont pas nées par génération spontanée en 1988. 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 l’échelle du nanomètre était impensable à l’époque. Le passage à la GMR et à l’électronique de spin est ensuite venu de la conjonction des idées de physique fondamentale que nous avions développées vers 1970 et des progrès des techniques d’élaboration de nanostructures au milieu des années 80. Bande audio ou film ????? A. Fert en 2003 Médaille d’or du CNRS

Pouvait on prévoir l’amplitude de l’effet GMR ? 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Pouvait on prévoir l’amplitude de l’effet 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 l’intérieur de la couche de Fe

1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : Qu’est ce que la magnétorésistance géante ? 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

Vers les applications....... A. Fert / P. Grünberg 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin Vers les applications....... 1988 A. Fert / P. Grünberg Epitaxie à jet moléculaire Dépôt lent impossible à utiliser pour une production de masse 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/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin Vanne de spin 545 citations 1/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées Augmenter l’épaisseur de la couche de métal normal : Cu 2 nm Dieny Post doc IBM Augmenter mais pas trop ! 2/ Bloquer la direction de l’aimantation d’une des couches ferromagnétiques par interaction avec une sous-couche adaptée (antiferromagnétique)

Changement d’état parallèle à anti parallèle en champ très faible RAP 20% RP 1Oe = 1G = 10-4 T Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) : son rôle est de bloquer l’aimantation de la couche ferromagnétique Couche ferromagnétique « piégée » Ni80Fe20 15 nm Couche métallique non magnétique (Cu 2 nm) ou Couche ferromagnétique libre Ni80Fe20 15 nm Dieny et al 1991

PAUSE La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin