Jean-Claude Soret

La spintronique : La spintronique : quand les électrons se mettent au breakdancequand les électrons se mettent au breakdance

GREMANUMR CNRS 7347

21 Janvier 2014

1. Un rapide historique de l’électronique

Sommaire

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 Fleming1890

Invention de la triode à vide

Lee De Forest1906

l’ancêtre du transistor

1947 : L’essor de l’électronique

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 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 moderneétait lancé !

La conjecture de Moore

Le nombre de transistors des microprocesseurs double tous les deux ans !

Mais jusqu’à quand ?

Nom

bre

de

trans

isto

rs

Une croissance exponentielle

1. Un rapide historique de l’électronique

Sommaire

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

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).

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 différentepour les électrons de spin et de spin

Travaux précurseurs à la GMRMélange 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

de spin

Conducteur Couche magnétique

Principe de la GMR

e-

e- e-

e-

e-

e-

Conducteur

Seuls les électrons de spin

sont transmisElectrons de

spin et

Sens d’écoulement d’électronsI

e-

Principe de la GMR

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 F2Couche non magnétique

ConducteurConducteurSens d’écoulement d’électronsI

Electrons de spin et

e-

Principe de la GMR

e-

e-

e-

e-

e-

F1 F2Couche non magnétique

ConducteurConducteur

Sens d’écoulement d’électronsI

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

Des alliages magnétiques aux

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

multicouches magnétiques

Multicouches Fe/Cr

Multicouches Fe/Cr

Alignement de l’aimantationdes couches ferromagnétiques

en présence d’un fort champ magnétique

1. Un rapide historique de l’électronique

Sommaire

2. La découverte de la magnétorésistance géante

3. La naissance de la spintronique

4. Développements applicatifs de la spintronique

5. Perspectives

1990 : Les vannes de spin

La 1ère brique élémentaire de la spintronique

1995 : La magnétorésistance tunnel

1. Une rapide histoire de l’électronique

Sommaire

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

Mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM)

Têtes de lecture pour disques durs

Circuits logiques

Composants radiofréquence

Capteurs magnétiques

Têtes de lecture des disques dures

L’écriture des informations

H

i

H

i

Lignes de champ créées par le courant i

Tête d’écriture

Lignes de champ créées par le courant i

1 110 0 01 100 1 0

10 000 tours/min

100 nm

25 nm

Lecture des informationstête de lecture GMR

1 0 0 1 1 0 R

R

Résistancegrande

Résistancefaible

= 0

= 1

Tête

s de

lect

ure

GM

RTêtes de lecture des disques dures

Evolution de la capacité des disques durs

19961 Gbit/in2

2009600 Gbit/in2

3 µm

0,2 µm

100 nm 10 nm

Disque dur en 1980

4 Mo 1 photo !

Disque dur 1 To

2,5 Millions de photo !

1. Un rapide historique de l’électronique

Sommaire

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

M. Gajek et al., Nature Materials 6, 296 (2007)

LSMO / LBMO (2 nm) /Au

LSMO =La0,7Sr0,3MnO3

LBMO =La0,1Bi0,9MnO3

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 98016601, (2007)

Co/Al2O3(0,6nm)/Alq3(1,6nm)/FeNiAlq3 = tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum

http://www.refletsdelaphysique.fr/doc_journal/images/refdp/news/Dossier_ spintronique-Reflets_de_la%20Physique.pdf

Pour en savoir plus...

Reflets de la Physique , Revue de la Société Française de Physique

http://www.palais-decouverte.fr/fileadmin/fichiers/infos_sciences/revue/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 portablepar Kamil Fadel

Dossier spintronique