JeanClaude Boudenot Thales Research Technology Spintronique Spintronique le

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 Magneto. Resistance *TMR = Tunneling Magneto. Resistance

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 Courtoisie Albert Fert Elément GMR (multicouche magnétique)

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 A 153, 1936 EF Fert et al, PRL 21, 1190, 1968 E Loegel-Gautier, JPCS 32, 1971 Fert et al, J. Phys. F 6, 849, 1976 Dorlejin et al, ibid F 7, 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 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 Magneto. Résistance 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 deux directions de spin Aucun électron ne passe couches de fer 2) Un champ magnétique aligne les aimantations: les spins passent Courant d’électrons des Courant deux directions d’électrons de spin deux directions de spin 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 Courtoisie Albert Fert

• Multicouches magnétiques Aimantations des couches ferromagnétiques en présence d’un champ magnétique 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 N piste S N N S N S 5 nm N S S N Elément GMR (multicouche magnétique)

• Enregistrement magnétique: Ø évolution des densités surfaciques (de l’AMR à la GMR) 2005 200 Gb/in 2 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 MP 3) 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)

• Magnetoresistance tunnel (TMR) et applications (têtes de lecture de disque dur et mémoires M-RAM) : Courtoisie Albert Fert = densité/vitesse des DRAM/SRAM + non-volatilité + faible consommation d’énergie

Barrière mono cristalline de Mg. O pour prochaine génération de MRAM ? ¤ description et prédiction théorique possible ¤ TMR nettement + élevée qu’avec barrière d’alumine amorphe Example: Fe/Mg. O/Fe(001) CNRS/Th. /Madrid (Bowen et al, APL 2001) 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 Courtoisie Albert Fert R

• 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% ) La 2/3 Sr 1/3 Mn. O 3 Sr. Ti. O 3 La 2/3 Sr 1/3 Mn. O 3 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 F 1 F 2 Composante transverse La composante transverse du spin est perdue par les électrons du courant, mais est en fait transférée au SPIN global Sde la couche rotation de S Courtoisie Albert Fert S

Thése de Julie Grollier, 2003 Premier régime: commutation P AP Co/Cu/Co RAP 200 x 600 or 100 x 400 nm resistance H = 0 AP RP Courtoisie Albert Fert P RP AP RAP P courant AP P

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

2 d regime: microwave generation by spin transfer Friction torque H M Spin transfer torque Steady precession with generation of current oscillations in the microwave range Courtoisie Albert Fert Co/Cu/Permalloy pillar, (CNRS/thales)

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 (540 GHz) f/f f 18000 - high quality factor - 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 B 70, 100406, 2004

Preliminary experimental results I increasing I trilayer 2 trilayer 1 different nanopillars (distance > 500 µm) Courtoisie Albert Fert

Classical spintronics: GMR, TMR, spin filters, etc Spin transfer: switching, oscillators, synchronization Tulapurkar et al Spintronics: recent developments AP m P and 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) Ga. Mn. As (Tc 170 K) and R. T. FS Electrical control of ferromagnetism TMR, TAMR, spin transfer (Ga. Mn. As) 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) Ga. Mn. As (Tc 170 K) and R. T. FS Electrical control of ferromagnetism TMR, TAMR, spin transfer (Ga. Mn. As) Field-induced metal/insulator transition F 1 F 2 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 information into a large electrical signal using a carbon nanotube between spin-polarized source and drain (+ spin manipulation by gate ? ) MR=60% Vbias=25 m. V T = 5 K Carbon nanotube (CNT) 1. 5 m (multi-wall) LSMO = La 2/3 Sr 1/3 O 3 V/Vbias 60% for 25 m. V < Vbias <110 m. V P Hueso, Mathur, Fert et al, Nature 445, 410, 2007 MR=60% MR/MR(5 K, 25 m) Courtoisie Albert Fert P AP AP V 65 m. V for V=110 m. V 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