spin up

Jean-Claude Boudenot
Thales Research & Technology
Spintronique
• Spintronique, le spin s’invite en électronique
(passé et futur d’une belle aventure)
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
Spintronique avec
semiconducteurs ou
molécules
etc
Têtes de lecture, capteurs
* GMR = Giant MagnetoResistance
*TMR = Tunneling MagnetoResistance
Albert Fert, médaille d’or du CNRS (2004)
Albert Fert, reçoit le Japan Prize des mains
de l’empereur du Japon (avril 2007)
Albert Fert, prix
Nobel de physique
2007
Avec Peter Grünberg
« for the discovery of Giant
Magnetoresistance »
Le Nobel à Albert Fert et Peter Grunberg
Le prix Nobel de physique a été
attribué, mardi 9 octobre, au
Français Albert Fert et à l'Allemand
Peter Grunberg pour récompenser
leur découverte de la
magnétorésistance géante (GMR)
Le comité indique dans un
communiqué vouloir récompenser
ainsi une découverte qui a
« révolutionné les techniques
permettant de lire l'information
stockée sur disque dur »
Thales Research &Technology
Orsay
28 janvier 2008
Courtoisie
Albert Fert
Tête de lecture
de disque dur
piste
5
nm
Elément GMR
(multicouche
magnétique)
Courtoisie
Albert Fert
Courtoisie
Albert Fert
Tête de lecture
de disque dur
piste
5
nm
Elément GMR
(multicouche
magnétique)
Electron
Spin
Charge
électrique
Courtoisie
Albert Fert
Electron
Spin
Charge
électrique
Matériau magnétique (aimanté)
= matériau où les électrons ont,
en majorité, leur spin dans une
certaine direction
Courtoisie
Albert Fert
Electron
Spin
Electronique:
électrons mis en
mouvement
(courant) par action
sur la charge
Courtoisie
Albert Fert
Electron
Spintronique:
mouvement
par action sur
le spin
Charge
électrique
Courtoisie
Albert Fert
Spin dependent conduction in ferromagnetic metals
(two current model)
n (E)
Mott, Proc.Roy.Soc A153, 1936
EF
Fert et al, PRL 21, 1190, 1968
E
Loegel-Gautier, JPCS 32, 1971
Fert et al,J.Phys.F6, 849, 1976
Dorlejin et al, ibid F7, 23, 1977
n (E)
I
I


=  / 
Courtoisie
Albert Fert
  0.3
  20
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
Courtoisie
Albert Fert
Concept de la MagnetoRésistance Géante (GMR)
Courtoisie
Albert Fert
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
Bâti d’Epitaxie par Jets Moléculaires permettant la
croissance de multicouches métalliques
(cliché CNRS/Thales)
• Multicouches magnétiques
Aimantations des
couches
ferromagnétiques à
champ magnétique nul
Fe
Cr
Fe
Cr
Fe
Courtoisie
Albert Fert
• Multicouches magnétiques
Aimantations des
couches
ferromagnétiques en présence d’un
champ magnétique
Fe
Cr
Fe
Cr
Fe
Courtoisie
Albert Fert
• Magnétorésistance géante (GMR)
(Orsay, 1988, système Fe/Cr)
~ 80%
V
I
Courtoisie
Albert Fert
• 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
Courtoisie
Albert Fert
Condition pour GMR:
épaisseurs  nm
Théorie de la GMR, exemple: calcul de la probabilité de transmission des
électrons de spin « majoritaire » et « minoritaire » à un interface de
multicouche Cobalt/Cuivre (« ingénierie de spin »)
Aimantations opposées
(bas champ, résistance
élevée)
Fe
Cr
Fe
Aimantations parallèles
(fort champ, résistance
petite)
Fe
Cr
Fe
Courtoisie
Albert Fert
centre de zone: incidence normale
bord de zone: incidence rasante
Courtoisie
Albert Fert
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:
 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)
Courtoisie
ou à 300 heures video, ou 36 heures video haute def.
Albert Fert
Analyse biologique : « biochips » pour
détection par GMR de molécules cibles
(exemple: antigènes) piégées sur le chip et
décorées de particules magnétiques
quelques microns
Courtoisie
Albert Fert
( prototypes avec
réseaux de capteurs
pour détecter un
millier de cibles
différentes)
(têtes de lecture de disque dur et mémoires M-RAM)
Magnetization (a.u.)
•Magnetoresistance tunnel (TMR)
et applications
MR (%)
6
4
2
-25
:
Courtoisie
Albert Fert
-15 -5
5
15
Applied Field (Oe)
25
0
= densité/vitesse
des
DRAM/SRAM +
non-volatilité +
faible
consommation
d’énergie
(têtes de lecture de disque dur et mémoires M-RAM)
Magnetization (a.u.)
•Magnetoresistance tunnel (TMR)
et applications
MR (%)
6
4
2
-25
:
Courtoisie
Albert Fert
-15 -5
5
15
Applied Field (Oe)
25
0
= densité/vitesse
des
DRAM/SRAM +
non-volatilité +
faible
consommation
d’énergie
Barrière mono cristalline de MgO pour prochaine génération de MRAM ?
¤ description et prédiction
théorique possible
¤ TMR nettement + élevée qu’avec
barrière d’alumine amorphe
Example: Fe/MgO/Fe(001)
CNRS/Th./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)
ΔR/R= 250%
ΔR/R=186%
ΔR
bloqué
libre
R
Courtoisie
Albert Fert
• Jonctions tunnel à base d’oxydes magnétiques,
(résistance électrique 20 fois plus élevée quand les
aimantations des électrodes sont en directions opposées,
soit polarisation de spin d’environ 95% )
La2/3Sr1/3MnO3
SrTiO3
La2/3Sr1/3MnO3
Image de microscopie électronique par J-L. Maurice, UMR CNRS/Thales
Courtoisie
Albert Fert
Génération d'oscillations
hyperfréquences
Commutation d'aimantation
Phenomènes
de transfert
de spin
Courtoisie
Albert Fert
Concept du transfert de spin (Slonczewski 1996)
S
 0.1 m
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
Courtoisie
Albert Fert
S
Thése de Julie Grollier, 2003
I+
Au
Co 2
Cu
Cu
Premier régime: commutation
V+
e-
Cu
Au
V-
200x600 or 100x400 nm
RP
AP
RAP
P
courant
Courtoisie
Albert Fert
1.52
1.50
-1.0
dV/dI (Ohm)
AP
P
1.54
resistance
H=0
RAP
1.56
dV/dI (Ohm)
Co 1
I-
Co/Cu/Co
P
AP
-0.5 0.0 0.5
H (kOe)
1.56
AP
1.0
AP
1.54
1.52
P
1.50
-6
-4
-2
P
0 2
I (mA)
4
6
RP
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
Courant
de spins
° par transfusion de spins
° ou en déplaçant une frontière
magnétique par un courant de spins
frontiére magnétique (paroi)
Courtoisie
Albert Fert
frontiére magnétique
2d regime: microwave generation by spin transfer
Co/Cu/Permalloy pillar,
(CNRS/thales)
H
M
Spin transfer
torque
Steady precession with
generation of current oscillations
in the microwave range
Courtoisie
Albert Fert
Power (pW/GHz)
Friction
torque
3
2
1
0
3,5
4,0
Frequency (GHz)
Spin Transfer Oscillators (STO)
(communications, microwave pilot)
Advantages:
- direct oscillation in the microwave range
- agility: control of frequency by only dc current,
frequency modulation , fast switching
(5-40 GHz)
- high quality factor
f/ff  18000
- small size ( 0.1m) and integration on chip
(chip to chip communication)
-oscillations without applied field
-Needed improvements
- - increase of power by synchronization of a
large of number of STO
Courtoisie
Albert Fert
Rippart et al,
PR B70, 100406,
2004
Preliminary experimental results
I
trilayer 2
power (pW/GHz/mA2)
-12.4 mA
0.6
0.5
0.4
increasing I
0.3
0.2
0.1
- 9 mA
0.0
1.0
1.1
1.2
1.3
frequency (GHz)
trilayer 1
power (pW/GHz/mA2)
different nanopillars
(distance > 500 µm)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1.0
Courtoisie
Albert Fert
-11.00mA
-9.80mA
1.1
1.2
frequency (GHz)
1.3
Classical spintronics: GMR,
TMR, spin filters, etc
Spin transfer: switching,
oscillators, synchronization
Tulapurkar et al
and
Mz
recent developments
0.0
A
P
m
P
-0.1
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-0.5
M
x
0.0
0.5
1.0
-1.0
M
y
Spintronics:
0.1
future directions
Hruska et al
Spintronics with
semiconductors
Spintronics with
molecules
single-electron
devices
Spintronics with semiconductors, QW and QD
(and spintronics with molecules)
Magnetic metal/semiconductor
hybrid structures
Spin-polarized currents induced
by spin-orbit interactions
-Spin Hall effect
Example: spin
injection from
Fe into LED
(Mostnyi et al,
PR. B 68, 2003)
-Rashba and Dresselhaus effects
- Gate control of spin dynamics,
Ferromagnetic
semiconductors (FS)
GaMnAs (Tc170K) and R.T. FS
Electrical control of ferromagnetism
TMR, TAMR, spin transfer (GaMnAs)
Field-induced metal/insulator transition
Courtoisie
Albert Fert
Spintronics with semiconductors, QW and QD
(and spintronics with molecules)
Magnetic metal/semiconductor
hybrid structures
Spin-polarized currents induced
by spin-orbit interactions
-Spin Hall effect
Example: spin
injection from
Fe into LED
(Mostnyi et al,
PR. B 68, 2003)
-Rashba and Dresselhaus effects
- Gate control of spin dynamics,
Spin Field Effect Transistor ?
V
Ferromagnetic
semiconductors (FS)
GaMnAs (Tc170K) and R.T. FS
Electrical control of ferromagnetism
TMR, TAMR, spin transfer (GaMnAs)
Field-induced metal/insulator transition
F1
F2
Semiconductor
channel
Semiconductor channel between
spin-polarized source and drain
transforming spin information into
large and tunable (by gate voltage))
electrical signal But carbon nanotubes
work better than semiconductors !
Spintronics with molecules
Example: transformation of spin
Carbon nanotube (CNT)
1.5 m (multi-wall)
information into a large electrical
signal using a carbon nanotube
between spin-polarized source and drain
(+ spin manipulation by gate ?)
MR=60%
Vbias=25 mV
T=5K
Courtoisie
Albert Fert
LSMO = La2/3Sr1/3O3
LSMO
P
AP
AP
V/Vbias  60% for
25 mV < Vbias <110
mV
V  65 mV for
V=110mV
P
Hueso, Mathur, Fert et al, Nature 445,410, 2007
MR=60%
MR/MR(5K, 25m)
P
LSMO
Courtoisie
Albert Fert
Summary
¤Already important
aplications of GMR/TMR
(HDD, MRAM..) and now
promising new fields
-Spin transfer for
magnetic
switching and
microwave
generation
-Spintronics with
semiconductors,
molecules or
nanoparticles
Courtoisie
Albert Fert
SILICON
ELECTRONICS
SPINTRONICS
The End