Le magnétisme à l’INSP, pourquoi, comment ?

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

2 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

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

4 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

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

6 Paramagnétisme / Ferromagnétisme

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

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

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

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

11 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

12 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

13 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

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

15 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

16 Fe/ZnSe + Ab initio avec Fabio

17 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

18 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

19 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

20 (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

21 (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

22 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

23 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

24 Renversement d’aimantation : température
H = 0

25 Renversement température : contrainte

26 1μm 1μm M ki Mn-L 3 Fe-L 3

27 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

28 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.