Le magnétisme à l’INSP, pourquoi, comment ? Max Marangolo et Catherine Gourdon Journées hors-murs 2010 1

Plan Histoire et vie quotidienne Matériaux et champs magnétiques Compréhension phénoménologique du magnétisme Origine quantique du magnétisme: XXème siècle Moment orbital et spin de l’électron Paramagnétisme, Ferromagnétisme, Des matériaux magnétiques, partout et depuis longtemps Magnétisme à l’INSP: matériaux et phénomènes physiques Nouveaux matériaux, pourquoi réduire la taille des systèmes, rôle des interfaces Nanofils de cobalt dans la cérine Interface Fe/ZnSe Intégrabilité (matériaux magnétiques dans la microélectronique, traitement de l’information)‏ systèmes hybrides: ferromagnétique/semiconducteur MnAs TMR rendre les semiconducteurs magnétiques GaMnAs Manipulation du magnétisme Magnétisme ultime

Matériaux et champs magnétiques Compréhension phénoménologique du magnétisme 18ème siècle 1820 Oersted Ampère ?

Origine quantique du magnétisme: XXème siècle Moment magnétique orbital et moment magnétique de spin L + S = J  moment magnétique déterminé par J L ° S  L et S peuvent interagir

Paramagnétisme Matériaux paramagnétiques À température ambiante  400 Tesla pour saturer l’aimantation!

Paramagnétisme / Ferromagnétisme

Ferromagnétisme M H 500µm H Paroi magnétique Échange + anisotropie Renversement d’aimantation

Matériaux magnétiques, partout et depuis longtemps Mécanique quanto-relativiste Orbite et spin des électrons Echange Domaines magnétiques Rémanence

Matériaux magnétiques, partout et depuis longtemps Mécanique quanto-relativiste Orbite et spin des électrons Echange Domaines magnétiques Rémanence

Matériaux magnétiques, partout et depuis longtemps haut-parleur actionneur magnétique boussole transformateur moteur encodeur magnétique 300 nm Enregidstrement magnétique

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Des propriétés magnétiques modifiées Nouveaux matériaux, pourquoi réduire la taille des systèmes, rôle des interfaces Des propriétés magnétiques modifiées Nano-objets Nanofils de cobalt dans la cérine Interfaces/surfaces Fe/ZnSe Couches minces

Nano-objets Nanofils de cobalt dans la cérine Confinement  propriétés magnétiques; Resp.: Yunlin Zheng, Franck Vidal Nano-objets Co nanowires in PLD grown CeO2/SrTiO3(001)‏ 13

Nanofils de cobalt dans la cérine 3 nm 5 nm ┴ fil // fil Schio, Vidal, Zheng et al. Phys. Rev. submitted 14

Interfaces/surfaces Fe / ZnSe / GaAs(001) : 1, 3, 5 et 7 ML Réactivité d’interface. Structure et contraintes épitaxiales. Electronique et magnétisme à l’interface. Anisotropie magnétique Conséquences pour le transport

Fe/ZnSe + Ab initio avec Fabio

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Intégrabilité Stockage et traitement de l’information Stockage non volatile de l’information Matériaux magnétiques Traitement de l’information Circuits logiques semiconducteurs Nouvelles architectures associant mémoire et logique Systèmes hybrides:ferromagnétique/semiconducteur MnAs TMR Rendre les semiconducteurs magnétiques GaMnAs

Magnétotransport : jonctions métal/semiconducteur/métal Magnétorésistance géante. Vannes de spin Magnétorésistance tunnel (TMR) Electronique de spin. Sandwich métallique. Ferro/non ferro/ferro Sandwich hybride. Fe/ZnSe/Fe , MnAs/GaAs/MnAs R↑↑ < R↑↓ Baibich, Broto, Fert, Nguyen Van Dau, and Petroff, Etienne, G. Creuzet, Friederich, and Chazelas PRL 1988 Thèse de Vincent Garcia

(Ga,Mn)As: un semiconducteur ferromagnétique Collaborations au sein de l’INSP système semiconducteur et magnétique Recherche d’une température de Curie élevée actuellement -100°C Semiconducteurs magnétiques dilués : un ferromagnétisme particulier Propagation de parois de domaines Paramètres: largeur de paroi Mn + S. Parkin IBM

(Ga,Mn)As: un semiconducteur ferromagnétique Collaborations au sein de l’INSP C. Gourdon, V. Jeudy, H.J. von Bardeleben, C. Testelin, F. Bernardot thèses: A. Dourlat, K. Khazen, M. Cubukcu, S. Haghgoo Détermination de la largeur de paroi magnétique Fabrication, RX et magnéto-transport: A. Lemaître (LPN) Propriétés magnétiques (INSP) Aimantation (SQUID) Anisotropie magnétique (résonance ferromagnétique)‏ Domaines magnétiques (microscopie Kerr)‏ M(T) Largeur de paroi K(T) M A. Dourlat et al. Phys. Rev. B 2007 C. Gourdon et al. Phys. Rev. B. 2008 K. Khazen et al. Phys. Rev. B 2008

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Manipulation de l’aimantation Semiconducteurs ferromagnétiques (Ga,Mn)As1-xPx direction de l’aimantation  information anisotropie magnétique complexe  manipulation déclenchement et contrôle de la précession ou du basculement de l’aimantation H0+Hint DM 23

Renversement d’aimantation : température H = 0

Renversement température : contrainte

1μm 1μm M ki Mn-L 3 Fe-L 3

Se St Sn t ≈ heure t ≈ s - ms Spin unique Magnétisme ultime C. Testelin, M.Chamarro, B. Eble, F. Bernardot, F. Fras, P. Desfonds Une boîte quantique permet de stocker de l’information à l’échelle nanométrique Système à 2 niveaux   ex : BQ InAs sur GaAs électron noyaux trou Se St Sn t ≈ heure t ≈ s - ms Ensemble de spins ~105 Spin unique

Conclusion Spintronique Compétences et techniques Nouveaux matériaux Nano-objets Interfaces Systèmes hydrides métal/SC Compétences et techniques Élaboration Techniques et compétences couplées Résonance ferromagnétique Imagerie magnéto-optique Génération d’ondes acoustiques  Nouvelles méthodes de manipulation de l’aimantation d’objets nanométriques.