Transcript 4. Développements applicatifs de la spintronique

GREMAN
UMR CNRS 7347
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
l’ancêtre du transistor
Lee De Forest
1906
1947 : L’essor de l’électronique
1947 Le premier transistor
J. Bardeen
W. H. Brattain
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 !
Nombre de transistors
La conjecture de Moore
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
Principe de la GMR
Une couche ferromagnétique
« ferme » le canal des électrons
de spin 
Conducteur
e-
Electrons de
spin  et 
e-
Conducteur
e-
Seuls les électrons
de spin 
sont transmis
e-
e-
I
e-
Couche
magnétique
e-
Sens d’écoulement d’électrons
Principe de la GMR
Deux couches ferromagnétiques
en configuration antiparallèles
« ferment » les canaux des
électrons de spin  et 
e-
Electrons de
spin  et 
e-
ee-
e-
e-
Conducteur
I
Les électrons
ne sont pas
transmis
R est grande
F1 Couche F2
Sens d’écoulement d’électrons
non magnétique
Conducteur
Principe de la GMR
Deux couches ferromagnétiques
en configuration parallèle
« ferment » le canal des
électrons de spin 
e-
Electrons de
spin  et 
e-
e-
Seuls les électrons
de spin 
sont transmis
e-
B
e-
e-
R est petite
Conducteur
F1 Couche F2
non magnétique
I Sens d’écoulement d’électrons
Conducteur
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
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
0
0
1
1
1
0
Lignes de
de champ
champ
Lignes
créées par
par le
le courant
courant ii
créées
HH
ii
Tête d’écriture
0
1
0
0
Têtes de lecture des disques dures
Têtes de lecture GMR
Lecture des informations
tête de lecture GMR
1
R Résistance
grande
R
Résistance
faible
=1
=0
0
0
1
1
0
Evolution de la capacité des disques durs
1996
1 Gbit/in2
2009
600 Gbit/in2
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)
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