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

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

1904 : La naissance de l’électronique Invention de la diode à vide John Ambrose Fleming 1890 Invention de la triode à vide Lee De Forest 1906 l’ancêtre du transistor

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

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 1er circuit intégré commercialisé Puce électronique d’un diamètre de 1,5 mm 4 transistors et 5 résistances. Le développement de l’informatique moderne était lancé !

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

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

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

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

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

Une couche ferromagnétique « ferme » le canal des électrons Principe de la GMR Une couche ferromagnétique « ferme » le canal des électrons de spin  Couche magnétique Conducteur Conducteur e- e- e- Seuls les électrons de spin  sont transmis Electrons de spin  et  e- e- e- e- Sens d’écoulement d’électrons I

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

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

Des alliages magnétiques aux multicouches magnétiques Chambre d’épitaxie par jets moléculaires utilisée pour la croissance de multicouches magnétiques

Multicouches Fe/Cr

Multicouches Fe/Cr Alignement de l’aimantation des couches ferromagnétiques en présence d’un fort champ magnétique

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

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

1995 : La magnétorésistance tunnel

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

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

Têtes de lecture des disques dures 10 000 tours/min L’écriture des informations 1 1 Lignes de champ créées par le courant i Lignes de champ créées par le courant i 100 nm 25 nm H i H i Tête d’écriture

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

Evolution de la capacité des disques durs Disque dur 1 To  2,5 Millions de photo ! 1996 1 Gbit/in2 3 µm 0,2 µm 2009 600 Gbit/in2 Disque dur en 1980 4 Mo  1 photo ! 10 nm 100 nm

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

Nouveaux matériaux pour la spintronique Les multiferroïques LSMO / LBMO (2 nm) /Au LSMO =La0,7Sr0,3MnO3 LBMO =La0,1Bi0,9MnO3 M. Gajek et al., Nature Materials 6, 296 (2007)

Nouveaux matériaux pour la spintronique Les semiconducteurs magnétiques dilués D. Chiba et al., Nature 455, 515 (2008) Les matériaux organiques Co/Al2O3(0,6nm)/Alq3(1,6nm)/FeNi Alq3 = tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum T.S. Santos et al., Physical Review Letters 98 016601, (2007)

complements/ 324_jan_05/KF_n324_p24-33_w.pdf Pour en savoir plus... Reflets de la Physique , Revue de la Société Française de Physique Dossier spintronique http://www.refletsdelaphysique.fr/doc_journal/images/refdp/news/Dossier_ spintronique-Reflets_de_la%20Physique.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 http://www.palais-decouverte.fr/fileadmin/fichiers/infos_sciences/revue/ complements/ 324_jan_05/KF_n324_p24-33_w.pdf