|
Spin, électronique de spin
quelques explications simples d'abord pour ceux qui ne sont pas familiers de la physique et de son langage.
Les électrons sont les particules chargées électriquement qui transportent le courant électrique. Le spin c'est,
pour être bref, une minuscule aiguille de boussole fixée sur chaque électron ; on peut l'imaginer, dans une image
simple, comme produit par la rotation de l'électron sur lui même. Alors que l'électronique classique déplace les
électrons – ce déplacement constituant le courant électrique - en exerçant une force sur leur charge électrique,
l'électronique de spin agit aussi sur le spin pour contrôler le déplacement des électrons.
En fait, si l'électronique classique ignore le spin de l'électron, c'est que trouver un moyen de piloter les électrons en agissant sur
leur spin n'est pas un problème évident. L'idée à la base de l'électronique de spin est de faire passer le courant d'électrons à travers
des couches ultra-fines de matériaux ferromagnétiques, c'est à dire de matériaux aimantés comme le fer ou le nickel. Il y a dans ces
couches une forte interaction entre le spin de l'électron et l'aimantation du ferromagnétique. Une couche dont l'aimantation est dirigée vers le haut peut, par exemple, laisser passer facilement le courant d'électrons dont le spin est également orientée vers le haut et arrêter, ou presque arrêter, les électrons de direction de spin opposée. Cet effet de filtre à spin est, en simplifiant, la base générale de l'électronique de spin : en contrôlant une orientation d'aimantation et donc le filtrage des spins, on peut contrôler un courant d'électrons.
Dans le phénomène de magnétorésistance géante, par exemple, le courant d'électrons est « filtré » par deux couches ferromagnétiques
successives. Si ces deux couches ont des aimantations opposées, l'une arrête les électrons d'une certaine orientation de spin et
l'autre arrête les autres. Le courant ne passe pas ou presque pas. Par contre, en présence d'un champ magnétique, les aimantations
des deux couches s'alignent dans la direction du champ, tous les électrons dont le spin est dans cette direction traversent sans problème
le deux couches, et le courant passe. Un petit champ magnétique qui ouvre la porte au courant électrique, c'est le principe de la GMR.
Ce petit champ sera, par exemple, celui généré par les inscriptions magnétiques sur le disque dur d'un ordinateur dans l'application de
la GMR aux têtes de lecture. En fait, le mécanisme de la GMR est bien sûr un peu plus compliqué. Pour que « ça marche », il faut que
les épaisseurs des couches et leur espacement ne dépasse pas quelques nanomètres, quelques millionièmes de millimètre. Ce qui veut
dire que l'électronique de spin a du attendre l'arrivée des nanotechnologies pour se mettre en place.
Un peu d'histoire. L'influence du spin sur la mobilité des électrons dans les métaux ferromagnétiques avait d'abord été suggérée par
le prix Nobel anglais Sir Nevill Mott. Ce fut ensuite mon sujet de thèse. Par des expériences sur de nombreux métaux et alliages ferromagnétiques,
j'ai pu confirmer et quantifier cette influence, montrer par exemple qu'en dopant du nickel avec quelques % de fer ou de cobalt on peut obtenir
un filtrage très efficace des spins. Pour l'interprétation de ces effets, j'avais pu m'appuyer sur les théories de la structure électronique
des métaux développées par Jacques Friedel et André Blandin à Orsay ou François Gautier à Strasbourg. Aller plus loin vers l'électronique
de spin était par contre impossible en 1970. Il était impensable à cette époque de pouvoir fabriquer des empilements de couches aussi
fines que le millionième de millimètre, c'est-à-dire de couches composées seulement de quelques plans d'atomes. Je suis moi même passé
à d'autres sujets de recherche.
Les progrès technologiques sont venus au milieu des années 80 avec l'arrivée de techniques de dépôt sous ultra-vide comme
l'Epitaxie par Jets Moléculaires. En 1985, j'étais alors au laboratoire de Physique des Solides d'Orsay, Alain Friederich
dirigeait un groupe du Laboratoire Central de Recherche de Thomson-CSF où l'on maîtrisait la technique d'Epitaxie par Jets
Moléculaires et, après une discussion lors d'un congrès à San Diego en Californie, nous avons lancé une collaboration pour
l'étude de multicouches magnétique. L'Epitaxie par Jets Moléculaires a permis de fabriquer des multicouches magnétiques qui
, par exemple, empilaient en alternance trois couches d'atomes de fer puis trois couches d'atomes de chrome.
Un premier résultat observé a été que les aimantations de couches de fer successives interagissent et s'orientent en direction
opposée pour certaines épaisseurs très fines de chrome. Ce n'était pas un résultat nouveau, on connaissait déjà cela pour
certaines multicouches magnétiques. Mais cela nous donnait la nanostructure qu'il nous fallait, avec une possibilité de
passer d'aimantations alternées à aimantations parallèles en appliquant un champ magnétique. La découverte de la GMR a
suivi. Nous avons mesuré la résistance électrique de nos multicouches, appliqué un champ magnétique pour aligner les
aimantations, et provoqué ainsi une forte chute de la résistance, 80% pour des épaisseurs de chrome correspondant à
trois couches d'atomes de chrome.
On appelle magnétorésistance la variation de résistance d'un conducteur induite par un champ magnétique. Comme la
variation observée était beaucoup plus grande que dans les conducteurs habituels, nous l'avons appelé magnétorésistance
géante, en anglais « giant magnetoresistance » ou GMR.
Le mécanisme de la GMR est celui que j'ai décrit schématiquement plus haut. Dans la configuration d'aimantations alternées,
tous les électrons sont arrêtés ou presque arrêtés une fois sur deux par les couches de fer. Par contre, en présence d'un
champ magnétique, les aimantations s'alignent, une catégorie d'électrons se propage partout facilement et la résistance
électrique est plus faible. La base physique, c'est toujours l'influence du spin sur la mobilité des électrons à
l'intérieur des couches de métal ferromagnétique et aussi sur la transmission des électrons aux interfaces entre
couches. Nos modèles de 1970 sont maintenant confirmés quantitativement par des calculs numériques sophistiqués
des fonctions d'onde des électrons dans une multicouche. L'optimisation des effets GMR s'appelle « wave function engineering »,
ingénierie des fonctions d'onde.
Notre publication de 88, qui présentait les résultats et leur interprétation, a été suivi quelques mois après,
en 89, d'une publication du groupe de Peter Grünberg à Jülich en Allemagne qui présentait des résultats du même
type, plus modestes, quelques dizaines de fois plus petits, mais dus exactement au même phénomène. Grunberg et
moi même avons été d'accord pour considérer que nos expériences avaient été réalisées quasi-simultanément et
que nous partagions la découverte. La première théorie quantique de la GMR est venue d'une collaboration que
j'ai eue avec Peter Levy de New York University et a été publiée en 1990. L'Ecole d'Orsay où, autour de Friedel,
expérimentateurs et théoriciens collaboraient étroitement, a permis à beaucoup d'entre nous de mener parfois en
parallèle expériences et théorie. Pour moi cela a donné quelques travaux théoriques qui sont parmi les plus
cités de ma liste de publications. Ce mélange des genres est peut être une caractéristique de l'école française
de magnétisme, de Curie à Weiss, Néel et Friedel. Il donne l'avantage d'une vue très globale des problèmes.
Le phénomène de GMR est apparu tout de suite intéressant pour des applications, par exemple pour détecter
un tout petit champ magnétique par une variation de courant électrique. Dès 93 sont apparus des capteurs de
champ magnétique aujourd'hui utilisés dans l'industrie automobile et dans l'industrie de défense, ou aussi
en médecine pour suivre des traceurs magnétiques à l'intérieur du corps humain. L'application la
plus importante a été pour la lecture de disques durs. Les têtes de lecture à GMR sont apparues
sur le marché en 1997 et sont utilisées maintenant dans la plus part des ordinateurs. Sur un disque
dur, l'information est stockée sous forme de bits, 0 ou 1, associés à des orientations de l'aimantation
dans un sens ou dans l'autre sur un petit élément du disque. Ces bits génèrent des champs magnétiques
minuscules et, dans une tête à GMR, on détecte ces petits champs magnétiques par la variation de courant
électrique qu'ils provoquent dans une multicouche magnétique. Grâce à la sensibilité de l'effet GMR,
on peut détecter des champs plus petits, donc inscrire des bits plus petits, donc augmenter la densité
d'information stockée dans le disque. Depuis l'introduction des têtes GMR en 97, la densité de stockage
a pu ainsi être multipliée par un facteur 100 environ.
Cependant on atteint maintenant la limite des têtes à GMR « classique », c'est à dire la GMR avec le
courant parallèle aux couches. La prochaine génération de disques utilisera d'autres effets
d'électronique de spin comme la magnétorésistance tunnel (TMR) ou la GMR avec courant perpendiculaire aux couches.
La découverte de la GMR a déclenché de nombreuses recherches, d'autres phénomènes du même type
ont été observés et ont confirmé le potentiel d'une électronique exploitant le spin de l'électron.
Par exemple la magnétorésistance tunnel ou TMR est obtenue avec ce que l'on appelle jonction tunnel
magnétique, deux couches ferromagnétiques séparées par une couche isolante. Comme en GMR, le courant
passe différemment selon que les aimantations des deux couches sont orientées dans le même sens ou
dans des sens opposés, mais le passage à travers la couche isolante se fait dans ce cas là par un
phénomène quantique appelé effet tunnel. A l'Unité Mixte CNRS-Thales, Frédéric Petroff a développé
la recherche sur ces jonctions tunnel, une recherche associée à une technologie difficile que peu
de laboratoires sont capables de réaliser. Un type particulier de jonction tunnel à base d'oxydes
magnétiques y a été étudié par Agnès Barthélémy et a permis d'obtenir une sorte de record du
monde de TMR. Les jonctions tunnel magnétiques sont l'élément de base de composants très
intéressants, les MRAM (Magnetic Random Access Memory). Ce nouveau type de mémoire électronique
va concurrencer les mémoires volatiles à semiconducteur qu'utilisent les ordinateurs d'aujourd'hui
pour un stockage temporaire à accès rapide de l'information. Les MRAM combinent stockage permanent
et accès rapide. Elles devrait avoir un impact important dans les technologies futures d'ordinateur
et dans tout ce qui est électronique portable, téléphones mobiles, appareils photo numériques, etc.
Les technologies de l'information et de la communication prennent une place de plus en plus grande
dans l'économie des pays industrialisés. Il est très important pour notre avenir économique que
l'Europe et la France ne se laissent pas distancer par les Etats-Unis et le Japon dans le développement
de ces technologies. C'est un domaine où il y a une grande effervescence d'innovations industrielles,
en général assez imprévisibles car elles viennent de recherches amont dans des directions très diverses.
Les MRAM, que Motorola est le premier à mettre aujourd'hui sur le marché, n'étaient dans aucune
« road map » de l'industrie des composants électroniques il y a cinq ou six ans. Elles ont été
amenées par des travaux sur les jonctions tunnel magnétiques qui ont été développés dans des
laboratoires de recherche fondamentale. Motorola et IBM ont été les plus prompts à foncer sur
le créneau MRAM grâce à leurs liens très forts avec les laboratoires universitaires américains
d'où viennent leurs ingénieurs et chercheurs. Une recherche amont, telle que la pratique le CNRS
et telle que nous la pratiquons dans un laboratoire mixte CNRS-industrie, est le point de départ
nécessaire pour initier de telles innovations. Il est urgent de rattraper le niveau de soutien des
Etats-Unis pour ce type de recherche. La France et l'Europe ont leur carte à jouer dans la
compétition internationale pour le développement de ces nouvelles technologies.
Dans le cas particulier des MRAM, il est intéressant de constater qu'une grande partie des premiers
développement industriels, au plan mondial, se fera en France, à Corbeil Essonne pour la société Altis
alliant IBM et Infineon et prés de Grenoble pour le consortium regroupant Motorola, Philips et ST Microelectronics.
Un communiqué de presse d'Altis indique qu'une de raisons du choix de Corbeil Essone est la proximité des équipes
où a été découverte la GMR. Il y a sans doute d'autres raisons plus importantes, mais, si cet argument a
quand même un peu joué, il est très satisfaisant que notre laboratoire et quelques autres aient pu contribuer
à attirer cette activité.
Nous travaillons aujourd'hui sur bien d'autres développements de l'électronique de spin.
Un exemple de nouveau phénomène prometteur est la commutation d'un petit élément magnétique
sans application de champ magnétique, seulement par injection d'un courant filtré en spin dans
l'élément. Nous travaillons aussi sur des extensions de l'électronique de spin au domaine des semi-conducteurs.
Cela pose de nouveaux problèmes, parfois difficiles, mais je crois que, sur le plan des applications, la fusion
entre électronique classique à base de semi-conducteurs et électronique de spin est extrêmement prometteuse de
nouveaux dispositifs. A l'horizon, un des objectifs les plus fascinants est l'ordinateur quantique, basé non pas
sur la combinaison de données binaires, 0 et 1, comme l'ordinateur actuel, mais sur la combinaisons d'états d'objets
quantiques qu'on appelle qubits. L'ordinateur quantique, pour certains types de travaux, pourrait permettre un gain
de vitesse considérable. Plusieurs voies sont envisagées pour la réalisation de qubits. Des progrès très intéressants
on ainsi été réalisés au CEA en utilisant les états quantiques d'un supraconducteur. Mais on peut aussi envisager réaliser
des qubits basés sur l'état de spin d'un électron dans une « boite quantique ». Cela devrait être une des directions
intéressantes pour le développement futur de l'électronique de spin.
Albert Fert (texte extrait du discours de rémise de la Médaille d'or 2003 du CNRS)
|
