Nanomagnetism Group
Service de Physique de l'Etat Condensé
Injection de spin et transport dans les hétérostructures hybrides ferromagnétique/semi-
conducteur organique Octobre 2010
Contacts : michel.viret@cea.fr et jean-baptiste.moussy@cea.fr
L’utilisation des semi-conducteurs organiques (SCOs) en spintronique est un sujet en plein essor. En effet les SCOs présentent un faible couplage spin-orbite garantissant une cohérence de spin plus élevée que dans les semi-conducteurs inorganiques, ce qui rend prometteur l’injection et la détection de spins dans ces matériaux. Le travail de stage proposé consistera à injecter un courant polarisé en spin via des électrodes ferromagnétiques et à étudier le transport de ces électrons à travers un matériau organique sous forme de film mince ou de quelques molécules. Pour cela, deux dispositifs originaux seront étudiés pour lesquels des résultats préliminaires viennent d’être obtenus au laboratoire :
- systèmes de type jonction à cassure, constitués d’un pont suspendu de quelques centaines de nanomètres de large et d’un micron de long recouvert d’une couche de matériau organique, pouvant être cassé de manière contrôlée. Le système ainsi obtenu est celui de deux électrodes ferromagnétiques reliées par une couche de matériau organique qui forment donc une jonction dans une géométrie planaire dans laquelle la magnétorésistance peut être mesurée.
- systèmes de type jonction tunnel à base de ferrite, constituées de deux électrodes ferromagnétiques séparées par une fine couche organique. Les ferrites (AFe2O4 avec A= Fe, Co) sont des oxydes magnétiques dont la croissance est réalisée par épitaxie par jets moléculaires. Les mesures de magnétorésistance en géométrie perpendiculaire nécessiteront une micro-structuration par lithographie optique ou électronique.
Concernant les matériaux organiques étudiés, nous utiliserons des molécules de la famille des semi-conducteurs (Alq3, sexithiophène) ou de la famille des isolants.
Ce stage portera donc d’une part sur l’élaboration d’hétérostructures hybrides ferromagnétique/semi-conducteur organique et d’autre part sur l’analyse des propriétés de transport sous champ magnétique de ces dispositifs. Dans le cadre futur d’une thèse, nous chercherons en particulier à atteindre le régime de transport polarisé en spin à travers une seule molécule organique, qui offre des perspectives attrayantes liées au caractère atomique de ce transport de basse dimensionnalité ainsi qu’à l’injection de spin.
Magnétométrie ultra-sensible pour l’imagerie fonctionnelle Octobre 2010
Contact : myriam.lecoeur@cea.fr
Notre laboratoire a mis au point un dispositif appelé capteur mixte, associant une boucle de capture supraconductrice à un capteur à magnétorésistance géante (ou GMR) pour la mesure de signaux magnétiques extrêmement petits (quelques femtoteslas = 10 -15 T), comme ceux produits par le coeur ou le cerveau.
Nous avons démontré que ce type de dispositif pouvait détecter les signaux magnétiques dus à l’activité électrique cardiaque. Afin de mesurer l’activité fonctionnelle du cerveau, il est nécessaire d’accroitre la sensibilité de ces magnétomètres.
L’élément magnéto-résistif utilisé jusqu’à présent est une GMR métallique de type spin valve. Les récents progrès dans le domaine de l’électronique de spin ont permis de proposer d’autres types de GMR ou de magnétorésistances tunnel (TMR) dont les performances sont fortement augmentées. D’autre part, des techniques de réduction du bruit à basse fréquence peuvent également être appliquées pour atteindre d’excellents niveaux de sensibilité.
En particulier, nous avons testé un système de commutation rapide de super-courants permettant de moduler le signal reçu par les éléments magnétorésistifs. Ce système fonctionne mais présente un comportement de filtre passe-haut qui est dû à une perte du supercourant à chaque commutation.
Le but du stage est d’étudier cet effet dont une cause principale est le changement de géométrie de l’objet supraconducteur en particulier en testant de nouvelles géométries d’abord par modélisation puis en réalisant des capteurs basés sur ces modèles.
Les magnétomètres réalisés seront dédiés à la mesure de la réponse neuronale cérébrale (collaboration Neurospin-CEA Saclay).
Synchronisation d'un réseau de nano-oscillateurs à transfert de spin Octobre 2010
Contacts : olivier.klein@cea.fr et gregoire.deloubens@cea.fr
Synchronisation d'un réseau de nano-oscillateurs à transfert de spin Les nano-oscillateurs à transfert de spin (dénommés ci-après STNO) sont des dispositifs de l'électronique de spin capables d'émettre une onde hyperfréquence monochromatique
lorsqu'ils sont pompés par un courant polarisé en spin. Bien qu'ils offrent de nombreux avantages (agilité spectrale, intégrables sur un circuit monolithique, etc...), leur puissance d'émission est en général très faible.
Une solution est de développer un réseau de STNO couplés, tous synchronisés entre eux. Dans ce cas, la puissance d'émission varierait en N² où N serait le nombre d'oscillateurs. Le but de cette étude expérimentale est d'étudier les différents types de couplages pouvant induire une cohérence de phase entre oscillateurs. On utilisera pour cela une méthode originale de détection de la résonance magnétique directement inspirée des techniques de microscopie en champ proche, la MRFM. Le principe de détection consiste à utiliser un micro-levier mécanique avec une sphère magnétique accrochée à son extrémité pour faire de la spectroscopie locale par résonance magnétique. Le SPEC est l'un des deux laboratoires dans le monde qui maîtrise cette approche. Outre sa sensibilité (environ 100 spins) l'outil est aussi capable d'imager la dynamique dans des dispositifs avec une résolution spatiale nano-métrique.
Ce projet de recherche fondamentale s'inscrit dans le cadre du programme européen MASTER.
G. de Loubens et al. Phys. Rev. Lett. 102, 177602 (2009)
O. Klein et al. Phys. Rev. B. 78, 144410 (2008)
Amplificateurs ultra bas bruit à base d’électronique de spin Octobre 2010
Contact : claude.fermon@cea.fr
Nous avons développé des capteurs magnétiques, appelés capteurs mixtes, basés sur la combinaison d’une boucle supraconductrice et d’un microcapteur à magnétorésistance géante atteignant une sensibilité de l’ordre du femtoTesla. Dans ces capteurs, la magnétorésistance peut être considérée comme un détecteur de courant non invasif permettant de sonder le supercourant du supraconducteur. La résolution en courant de la magnétorésistance dans cette configuration est en dessous du nanoAmpère. La bande passante de ce type de capteur est de plusieurs GHz.
Le but de la thèse est d'explorer une électronique supraconductrice qui pourrait être compétitive avec celle réalisée avec des SQUIDs mais fonctionnant à 77K et
sans les problèmes techniques liés aux jonctions tunnel. Nous avons estimé la sensibilité potentielle d'amplificateurs cryogéniques basés sur cette approche et des bruits en entrée de l'ordre de 10 à 100pV/sqrt(Hz) sont possibles. On peut aussi, grâce à l'impédance d'entrée très faible, coupler cet amplificateur à une bobine multitour permettant de mesurer des courants en dessous du pA avec des impédances d'entrée faibles.
Le but du stage sera après avoir acquis les notions principales nécessaires en électronique de spin d’une part de modéliser un premier amplificateur puis de le réaliser en utilisant les outils de microfabrication disponibles dans notre laboratoire et enfin de le tester sur une application simple qui est de se servir du bruit thermique d’une résistance comme sonde de température.
Ce stage s’ouvrira sur une thèse qui s’appuiera sur un contrat Européen débutant maintenant et portant sur la réalisation d’électronique très bas bruit pour des applications spatiales.
Résonance Ferromagnétique et transport de spin à l'échelle atomique dépendant du spin Octobre 2010
Contact : michel.viret@cea.fr
La magnétorésistance, géante ou tunnel, est à la base de plusieurs composants de la "spintronique", une nouvelle branche de l'électronique basée sur le spin des électrons. Les applications de ces dispositifs sont principalement dans les technologies de l'information, et plus particulièrement dans les ordinateurs. Outre leur utilité en tant que capteurs de champ magnétique (têtes de lectures), les éléments magnétorésistifs sont à la base des nouvelles mémoires vives, les MRAMs, qui viennent d'apparaître sur le marché. Largement en amont du produit fini, la physique du transport dépendant du spin pose encore des questions fondamentales. Aussi, avec la miniaturisation poussée des structures, la spintronique est en passe de rentrer dans le régime du transport balistique, voire même d’être contrôlée par des phénomènes atomiques liés à la basse dimensionnalité de certains systèmes. C’est le cas du transport dans des contacts atomiques. Ces contacts sont réalisés par la technique des jonctions à cassure où une nanostructure est lentement étirée de manière très contrôlée.
Jusqu’à présent, seules les mesures dans le régime statique ont été effectuées. En effet, les propriétés de résonance ferromagnétique (la précession de l’aimantation induite par un champ magnétique radiofréquence) n’ont jamais été étudiées dans des contacts ferromagnétiques de taille atomique. Nous avons dans notre groupe commencé cette étude par un lourd développement expérimental dans le cadre d’une thèse.
L’expérience ainsi montée commence à donner des résultats très intéressants où la résonance ferromagnétique peut être détectée électriquement. Des résultats préliminaires viennent d’être obtenus dans des contacts de taille atomique et l’effort mérite largement d’être poursuivi au-delà de la thèse d’Olivier Rousseau qui se termine en septembre 2011.
Ainsi, nous recherchons un stagiaire motivé pour poursuivre en thèse dans notre groupe dans lequel le stage proposé aura lieu.
Manipulation d’une aimantation par l’action d’un champ électrique en utilisant un
matériau ‘multiferroïque’
Contact : michel.viret@cea.fr et dorothee.colson@cea.fr
Today, an important challenge in the field of spin based electronic devices is to manipulate the magnetization of a ferromagnetic layer without applying an external magnetic field in
order to reduce energy consumption. Recently, a renewed attention has been paid to the magneto-electric effect, i.e. coupling between magnetization and electric polarization, in magnetic ferroelectric or multiferroic materials. A new concept of writing magnetic memories using multiferroic materials could be an interesting alternative to spin-transfer torque.
The ambition of this stage will be the manipulation of the magnetization of a ferromagnet by an electric field in a device architecture combining a multiferroic (BiFeO3) single crystal and ferromagnetic nanostructures. Out of the numerous present attempts to directly address a net magnetisation with an electric field, several very encouraging results have been obtained but none so far are conclusive at room-temperature. Here we propose to finely control, in three dimensions, the polarization reversal of a small region of a BiFeO3 single crystal on which ferromagnetic nanostructures are defined. This should lead, to a precise control of the ferroelectric reversal and in turn to the direction of the magnetic uniaxial anisotropy induced in the nanostructures. Moreover, the complete mastering of the polarization reversal will be used to study the behaviour of ferroelectric domain walls. Indeed, the proposed setup will be used to generate a domain wall of a chosen type (71°, 109° or 180°) and position it between several contacts, in plane and out of plane. Its conductivity will be studied as a function of applied voltage. Some domain walls have indeed been shown to be conducting but no precise study has been carried out in order to infer the origin and the type of conductance. Of great interest, photoconductance and photovoltaic effects have also recently been reported in single-domain BiFeO3 crystals. We think the domain walls are very likely to be sensitive to photons, perhaps even more than the single domain crystals and therefore conductivity will also be investigated as a function of light illumination with a HeNe laser.
For this stage, we will give priority to a student willing to apply for a PhD position in our group.