Albert Fert
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Les Nanosciences au Cœur des Technologies Convergentes 28 septembre 2005, Albert Fert, UMR CNRS/Thales et Université Paris-Sud La spintronique : des spins dans votre ordinateur Tête de lecture de disque dur S piste S N S N N N S N N S 5 nm S N S S N Elément GMR (multicouche magnétique) Tête de lecture de disque dur S piste S N S N N N S N N S 5 nm S N S S N Elément GMR (multicouche magnétique) Electron Spin Charge électrique Electron Spin Electronique: électrons mis en mouvement (courant) par action sur la charge Electron Spintronique: mouvement par action sur le spin Charge électrique Principe de la spintronique: placer sur le trajet des électrons une très fine couche de matériau aimanté (du fer par exemple) pour arrêter (ou ralentir) les électrons d’une certaine orientation de spin Conducteur (cuivre par exemple) Courant d’électrons des deux directions de spin Couche de fer (la flèche indique l’orientation de son aimantation) Seuls les electrons « spin up » sont passés mouvement des électrons Concept de la MagnetoRésistance Géante (GMR) 1) Aimantations des couches de fer opposées: aucun électron ne passe dans le conducteur (courant nul, en réalité très peu) Courant d’électrons des deux directions de spin Aucun électron ne passe couches de fer 2) Un champ magnétique aligne les aimantations: les spins Courant d’électrons des Courant deux directions d’électrons de spin des deux directions de spin passent les electrons « spin up » passent sont passés Influence du spin sur la mobilité des électrons dans les metaux ferromagnétiques (modèle à 2 courants) n (E) Mott, Adv.Phys.13, 325, 1964 EF Fert et al, PRL 21, 1190, 1968 Loegel-Gautier, JPCS 32, 1971 E I n (E) I Fert et al,J.Phys.F6, 849, 1976 σ Dorlejin et al, ibid F7, 23, 1977 α= σ↑ /σ↓ σ α ≈ 0.3 n (E) E niveau d de Cr Bande d du Ni F Etat lié virtuel α ≈ 20 E n (E) Modèles de structure électronique (école « Friedel ») • Multicouches magnétiques Aimantations des couches ferromagnétiques à champ magnétique nul Fe Cr Fe Cr Fe • Multicouches magnétiques Aimantations des couches ferromagnétiques en présence d’un champ magnétique Fe Cr Fe Cr Fe • Magnétorésistance géante (GMR) (Orsay, 1988, système Fe/Cr) ~ 80% V I • Magnétorésistance géante (GMR) (Orsay, 1988, système Fe/Cr) Aimantations opposées (haut champ, resist. élevée) Fe Cr Fe ~ + 80% Aimantations paralleles (haut champ, resist. faible) Fe Cr Fe Condition pour GMR: épaisseurs ≈ nm Théorie de la GMR, exemple : calcul de la probabilité de transmission des électrons de spin « majoritaire » et « minoritaire » à une interface entre Cobalt/Cuivre (« ingénierie de spin ») Stiles et al Tête de lecture de disque dur S piste S N S N N N S N N S 5 nm S N S S N Elément GMR (multicouche magnétique) • Enregistrement magnétique: ¾ évolution des densités surfaciques (de l’AMR à la GMR) 2005 200 Gb/in2 1 disque dur de 400 Giga-octet peut contenir une information équivalente à environ 800.000 livres (format livre de poche) ou à 1 million de photographies (de définition moyenne) ou à 8000 CD audio (compression MP3) ou à 300 heures video, ou 36 heures video haute def. Analyse biologique « biochips » quelques microns ( prototypes avec réseaux de capteurs pour détecter un millier de cibles différentes) •Magnetoresistance tunnel (TMR) et mémoires magnétiques MRAM 0.1µm Technologie MRAM en Europe Altis (Infineon-IBM), ST Microelectronics, Philips, Freescale, Crocus, Spintron, etc : = densité/vitesse des DRAM/SRAM + non-volatilité + faible consommation d’énergie TMR: perspectives 1) Ferromagnétiques à polarisation en spin 100% (composés demi-metalliques) Exemple: La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) jonctions tunnel LSMO/SrTiO3/LSMO(Orsay): magnetoresistance de 2000% correspondant à 95% de polarisation de spin La2/3Sr1/3MnO3 SrTiO3 La2/3Sr1/3MnO3 Image de microscopie électronique par J-L. Maurice, UMR CNRS/Thales 2) Barrière mono cristalline de MgO pour prochaine génération de MRAM ? ¤ TMR nettement + élevée qu’avec barrière d’alumine amorphe ¤ description et prédiction théorique possible Example: Fe/MgO/Fe(001) Orsay-Madrid ( Bowen et al, APL2001) Nancy (Faure-Vincent et al, APL 2003) Tsukuba (Yuasa et al, Nature Mat. 2005) IBM (Parkin et al, Nature Mat. 2005) ∆R/R= 250% ∆R/R=186% ∆R bloqué libre R 2) Barrière mono cristalline de MgO pour prochaine génération de MRAM ? ¤ TMR nettement + élevée qu’avec barrière d’alumine amorphe ¤ description et prédiction théorique possible Example: Fe/MgO/Fe(001) Orsay-Madrid ( Bowen et al, APL2001) Nancy (Faure-Vincent et al, APL 2003) Tsukuba (Yuasa et al, Nature Mat. 2005) IBM (Parkin et al, Nature Mat. 2005) ∆R/R= 250% ∆R/R=186% ∆R R X.-G. Zhang and W. H. Butler PHYSICAL REVIEW B 70, 172407 (2004) Nouvelles directions en spintronique 1) Le transfert de spin: ou comment manipuler le moment magnétique d’un aimant sans utiliser de champ magnétique mais seulement par transfusion de spins transportés par un courant (GMR ou TMR: un courant détecte une configuration magnétique, spin transfert: un courant crée une configuration magnétique) 2) Spintronique avec semiconducteurs (vers une fusion entre spintronique et électronique classique ) 3) Autres directions: nanospintronique, qubit spintronique moléculaire, etc Commutation d'aimantation Génération d'oscillations hyperfréquences Concept du transfert de spin (Slonczewski 1996) S ≈ 60-200nm F1 F2 Composante transverse La composante transverse du spin est perdue par les électrons du courant, mais est en fait transférée au SPIN global S de la couche rotation de S S Premier régime: commutation Co2 Co1 Au V+ Cu Cu e- Cu I- Au V- 200x600 or 100x400 nm RP 1.54 1.52 1.50 -1.0 AP RAP P courant dV/dI (Ohm) AP RAP 1.56 resistance H=0 P Co/Cu/Co P AP dV/dI (Ohm) I+ -0.5 0.0 0.5 H (kOe) 1.56 AP 1.0 AP 1.54 1.52 1.50 -6 -4 P P -2 0 2 I (m A) 4 6 RP Tulapurkar et al. (IEF-Orsay and Tsukuba) Appl. Phys. Lett., Vol. 85, 5359 Experiences avec impulsions de courant sur des tricouches CoFe/Cu/CoFe (commutation de Parallèle à Antiparallèle à 300 K) Commutation possible avec des impulsions de seulement 100 picosecondes ! Bleu clair = probabilité 100% de commutation Second régime: génération d’oscillations hyperfréquence par transfert de spin resistance H=0 AP RP P AP resistance H > Hc RAP P P courant Transition progressive et réversible courant Second régime: génération d’oscillations hyperfréquence par transfert de spin resistance H=0 AP RP AP P resistance H > Hc RAP Transition progressive et réversible courant P P courant Couple de friction M Couple de transfert de spin H Transition irréversible de P à AP ou vice versa Couple de friction H M Couple de transfert de spin Précession entretenue avec génération d’oscillations hyperfréquence (micro-onde) Second régime: génération d’oscillations hyperfréquence par transfert de spin resistance H > Hc Transition progressive et réversible courant P Couple de friction H (Rippart et al, PRL 92,027201, 2004) M Couple de transfert de spin Précession entretenue avec génération d’oscillations hyperfréquence Application du transfert de spin: commutation de mémoires MRAM et d’électronique logique reconfigurable Aujourd’hui : commutation par un champ magnetique appliqué de l’extérieur (non local) Demain, électroniquement par transfert de spin Courant de spins ° par précession-renversement ° ou en déplaçant une frontière magnétique par un courant de spins frontiére magnétique (paroi) frontiére magnétique Nouvelles directions en spintronique 1) Le transfert de spin: ou comment orienter le moment magnétique d’un aimant sans utiliser de champ magnétique mais seulement par transfusion de spins transportés par un courant (GMR ou TMR: un courant détecte une configuration magnétique, spin transfert: un courant crée une configuration magnétique) 2) Spintronique avec semiconducteurs (vers une fusion entre spintronique et électronique classique ) 3) Autres directions: nanospintronique, qubit spintronique moléculaire, etc • 2) Spintronique avec semiconducteurs Les semiconducteurs amènent: modulation de densité de porteurs, couplage à l’optique, tensions élevées, temps de vie des spins long, Les matériaux magnétiques amènent: non-volatilité(MRAM, dispos. reconfigurables), avantages de la manipulation de spin pour vitesse, etc lumière polarisée Tension de grille Semiconducteur magnétique LED V InAlAs Spin-LED (LED=Light emitting Diode) Fe Fe InGaAs 2DEG Spin-FET (FET=Field Effect transistor) Nouvelles directions en spintronique 1) Le transfert de spin: ou comment orienter le moment magnétique d’un aimant sans utiliser de champ magnétique mais seulement par transfusion de spins transportés par un courant (GMR ou TMR: un courant détecte une configuration magnétique, spin transfert: un courant crée une configuration magnétique) 2) Spintronique avec semiconducteurs (vers une fusion entre spintronique et électronique classique ?) 3) Autres directions: nanospintronique, qubit spintronique moléculaire, etc Spintronique moléculaire Nickel Nickel Tricene (molécule) Xiong et al; Nature427, 821,2004 • Acquis et perspectives en spintronique, Influence du spin sur la conduction Nanostructures magnétiques Électrons spin up Spintronique Électrons spin down GMR, TMR, etc… Commutation par Mémoires (M-RAM) transfert de spin, génération de micro-ondes transistor à spin etc Têtes de lecture, capteurs Je remercie M. Anane, A. Barthélémy, H. Béa, A. BernandMantel, O. Boulle, K.Bouzehouane, M. Bowen, V. Cros, C. Deranlot, M. Elsen, A.Friederich, M. Gajek, J-M. George, J. Grollier, G. Herranz, H. Jaffrès, S. Laribi, N. Lidgi, J-L. Maurice, R. Mattana, F. Petroff, K. Rode, P. Seneor, F. Van Dau, A. Vaurès de l’Unité Mixte de Physique CNRS-Thales associée à l’Université Paris-Sud, Orsay et aussi B. Lépine, A. Guivarch and G. Jézéquel (Rennes) G. Faini, A. Lemaitre, (LPN-Marcoussis), M. Bibes (IEF-Orsay) J. Bass, P. M. Levy et W. P. Pratt (USA) J. Barnas (Pologne), A. Hamzic (Croatie), L. Piraux (Belgique)
