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
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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
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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
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