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Autour de la spintronique à l'IRAMIS avec le laboratoire CNRS/THALES
Matériaux multi-ferroïques, émission hyperfréquence et filtrage de spin logo_tutelle 

Alber Fert et Peter Grünberg, prix Nobel 2007 pour la découverte de la magnétorésistance géante (GMR).

Une communauté de chercheurs en spintronique

De nombreux travaux sont réalisés à l'IRAMIS dans le domaine de la spintronique, spécialité récemment mise à l'honneur avec le Prix Nobel décerné à Albert Fert (Dir. scientifique de l’UMR CNRS/Thales - Université Paris-Sud 11) et Peter Grünberg (Centre de recherches de Jülich, Allemagne).

Depuis plus de quinze ans, des collaborations croisées entre les chercheurs de l'IRAMIS (CEA), de l’Institut d’Electronique Fondamentale (CNRS), du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS) et de l’unité mixte CNRS-Thales ont tissé de nombreux liens. Ainsi, en 1997, une collaboration entre l’unité d’Albert Fert et des chercheurs du CEA produisait un record mondial de magnétorésistance tunnel (TMR) dans des matériaux demi-métalliques. D’autres collaborations ont suivi… et aujourd'hui elles portent par exemple sur :

(Voir aussi la page thématique : "Nanomagnétisme et spintronique")

Matériaux multiferroïques [1]

Michel Viret, Dorothée Colson

Les matériaux « multiferroïques » (comme l’oxyde de bismuth et de fer : BiFeO3) se définissent par le cumul de propriétés électriques et magnétiques habituellement disjointes [2]. En couplant ces propriétés dans des multicouches ultra-minces, il est possible de contrôler un état magnétique grâce à un champ électrique et non plus seulement grâce à un courant. C’est une avancée décisive parce qu’à la différence d’un courant, un champ électrique (en pratique, une tension électrique) ne provoque aucun échauffement. Ces matériaux pourraient être utilisés avantageusement dans des mémoires MRAM, non volatiles et peu gourmandes en énergie.

Collaborant sur des matériaux identiques, Dorothée Colson, Michel Viret et Delphine Lebeugle, au SPEC, à Saclay, fabriquent des monocristaux de quelques millimètres carrés et de 50 μm d'épaisseur, tandis que celle d’Albert Fert dépose des couches ultraminces, d’épaisseur voisine de 50 nanomètres. L’étude comparée de ces échantillons met en évidence des différences de comportements. Les chercheurs espèrent comprendre le basculement de ces propriétés en fonction de la dimension. L’équipe du CEA effectue des mesures électriques et magnétiques, et également des analyses par neutrons au Laboratoire Léon Brillouin [3].
 

Emission hyperfréquence par courants forts [4]

Olivier Klein

Si on applique un courant extrêmement fort à un "mille-feuilles" de GMR (Giant Magneto-Resistance), on observe un effet de rotation (ou « précession ») de l’aimantation à l’intérieur des couches magnétiques. Il en résulte une émission d’ondes hyperfréquences de qualité remarquable : un effet découvert il y a deux ans.

Les chercheurs travaillent en réalité avec des « piliers » de petite section et non avec des multicouches étendues. Ces piliers sont fabriqués par l’équipe d’Albert Fert, particulièrement bien équipée en matière de lithographie. C’est le microscope à force magnétique de Saclay, un instrument unique mis au point par Olivier Klein, qui permet de mettre en évidence les ondes hyperfréquence (quelques gigahertz). La sonde du microscope est une sphère magnétique d’un micromètre de diamètre, sensible à la variation d’aimantation induite par le courant fort.
Il est possible de produire un effet analogue en appliquant un champ magnétique, modulé par des radiofréquences, mais le résultat est qualitativement très différent. Avec les courants forts, l’émission est d’une pureté spectrale incomparable : sa fréquence dépend du courant et de la structure. Ces émetteurs sont très prometteurs, pour les télécommunications notamment.
 

Dispositif expérimental de croissance de couches minces par MBE (Molecular Beam Epitaxy) du SPCSI. Insert, (haut) : Image par microscopie électronique à transmission d'un empilement de 3 couches (Co / γ-Al2O3 / CoFe2O4 sur α-Al2O3 ; (bas) : courbe typique de magnétorésistance tunnel (résistance en fonction du champ magnétique appliqué).

Filtrage de spin [5]

Ana Ramos, Jean-Baptiste Moussy

Comment obtenir un courant dont tous les électrons ont les spins alignés? Une méthode consiste à utiliser une barrière tunnel magnétique pour sélectionner les électrons ayant la même orientation de spin : c’est le concept de « filtrage de spin ». Etant donné le caractère magnétique de la barrière tunnel, les électrons sont transmis différemment selon leur spin. Pour mesurer l'efficacité du filtrage de spin obtenu, une méthode consiste à redéposer une couche magnétique sur la barrière tunnel magnétique et à effectuer une mesure de magnéto-résistance tunnel (TMR) au sein de la multicouche ainsi constituée. Selon le champ magnétique appliqué, la configuration des aimantations des deux couches magnétiques est modifiée, ce qui permet de choisir l'orientation des spins sélectionnés.

Une équipe du CEA (A. Ramos, M.-J. Guittet, J.-B. Moussy) est spécialisée dans la croissance de couches minces et de multicouches de matériaux ferromagnétiques particulièrement performants, comme les oxydes à base de fer et de cobalt. Les caractérisations structurale, chimique et magnétique de ces multicouches sont effectuées au laboratoire, à Saclay. A partir de ces systèmes, les structures adaptées à la mesure du filtrage de spin sont réalisées par lithographie optique par l’équipe d’Albert Fert. Les mesures de magnétorésistance tunnel, qui permettent la mise en évidence de l’effet recherché, sont également effectuées à Palaiseau en tandem avec des chercheurs des deux laboratoires.


 

[1] Projet soutenu par l’ANR.
[2] Ils sont à la fois ferroélectriques et anti-ferromagnétiques.
[3] Les neutrons du Laboratoire Léon Brillouin sont produits par le réacteur nucléaire expérimental Orphée, du centre CEA de Saclay.
[4] Projet européen, financé également par l’ANR.
[5] Projet financé par la région Ile-de-France (CNano).
 

Maj : 19/03/2010 (976)

 

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