Le porteur de charge usuel des phénomènes électriques est l’électron. Outre sa charge, celui-ci possède un moment cinétique intrinsèque, le spin, responsable des effets d’aimantation. Il est possible de contrôler les propriétés de conduction électrique en fonction de l’état de spin. Cet effet a ouvert une nouvelle branche de la micro-électronique : l’électronique de spin. Pour ceci, il est nécessaire de travailler avec un conducteur dont la structure est contrôlée à l’échelle nanométrique. En effet, la polarisation induite est rapidement perdue après diffusion sur une distance de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. On réalise ainsi des structures (vannes de spin) formées de couches ferromagnétiques de quelques nanomètres d’épaisseur dont la résistance électrique est fonction du spin de l’électron qui les traverse. Les capteurs magnétiques à vanne de spin sont aujourd’hui intégrés dans toutes les têtes de lecture des disques d’ordinateurs.
Récemment, il a été montré que l’on pouvait aussi commander l’état d’aimantation d’une couche magnétique avec un courant polarisé en spin. Ce nouvel effet trouve une application immédiate dans les mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memory) pour permettre l’écriture dans une unité de mémoire magnétique nanoscopique, en l’absence de champ induit.
Pour réaliser les expériences de retournement de l’aimantation par injection de spin, il est nécessaire de contrôler la morphologie des échantillons et des contacts à l’échelle nanoscopique : contrôle des interfaces entre couches minces, de la cristallinité et de la pureté des matériaux, et enfin contrôle des défauts topologiques. La méthode par électrodéposition dans les matrices nanoporeuses permet de réaliser des structures comparables à celles qui sont obtenues par lithogravure électronique. Un dispositif original a été réalisé au LSI permettant de réaliser et d’étudier de telles structures.
L’injection d’un courant de 2 mA (environ 2 107 A/cm2) suffit pour retourner l’aimantation de fils de nickel de 60 nm de diamètre et de 6 μm de long (voir la figure). L’énergie transférée du courant à la couche magnétique est équivalente à celle d’un champ de 100 millitesla (voir graphique), soit quelques eV (≈ 104 Kelvin), alors que l’amplitude maximale du champ magnétique induit par le même courant est de l’ordre de 10 millitesla.
Zoom sur la partie irréversible du cycle d’hystérésis magnétique, mesuré par magnétorésistance d’anisotropie. Les flèches indiquent une injection de courant de 107 A/cm2. On observe le retournement irréversible de l’aimantation.
Au-delà de ses aspects technologiques, cette observation pose avec une nouvelle perspective le vieux problème fondamental, de la dualité entre magnétisme itinérant et magnétisme localisé aux interfaces. Pour modifier l’aimantation, les spins portés par les électrons de conduction interagissent avec les spins des électrons localisés responsables de l’aimantation. La poursuite de ce type d’expérience devrait permettre d’identifier par quel canal l’énergie est transférée.
Zoom sur la partie irréversible du cycle d’hystérésis magnétique, mesuré par magnétorésistance d’anisotropie. Les flèches indiquent une injection de courant de 10 7 A/cm 2 . On observe le retournement irréversible de l’aimantation.
Références :
- Magnetization reversal and two level fluctuations by spin-injection in a ferromagnetic metallic layer
J.-E. Wegrowe, Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics 68 (2003) 214414. ⟨hal-00011170⟩
- Voir la présentation associée :
- Nanomagnétisme au LSI
- Nouveaux résultats : retournement d’aimantation induit par un courant
Contact CEA : Jean-Eric Wegrowe CEA Saclay, DSM/DRECAM/, Laboratoire des Solides Irradiés (LSI).