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RÉSUMÉ
Cet article traite de l’électronique de spin, ou spintronique, basée sur l’utilisation non seulement de la charge de l’électron, comme en électronique, mais également de son spin. D’une part, les caractéristiques électriques d’un dispositif dépendent des états d’aimantation des éléments qui le composent, essentiellement via des effets de magnétorésistance. D’autre part, l’injection de courant dans un dispositif peut permettre de contrôler des propriétés magnétiques telles que la direction d’aimantation, via des effets de transfert de spin. Ces propriétés sont à la base du développement des dispositifs spintroniques, en particulier des mémoires et des capteurs.
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Jean-Philippe ATTANÉ : Maître de Conférences - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP, Spintec, Grenoble, France
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Manuel BIBES : Directeur de Recherche - Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
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Laurent VILA : Ingénieur CEA - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP, Spintec, Grenoble, France
INTRODUCTION
Le développement des techniques de dépôt de couches minces et de lithographie a permis de créer des dispositifs électroniques tirant profit non seulement de la charge de l’électron, mais également de son spin, pour obtenir des fonctionnalités nouvelles et supplémentaires. La combinaison dans des structures de dimensions nanométriques de matériaux magnétiques d’une part, et de matériaux métalliques, semi-conducteurs ou isolants d’autre part, a permis l’émergence d’une nouvelle génération de composants ainsi que d’une nouvelle discipline : l’électronique de spin, ou spintronique. Le transport en spin est dépendant de la direction d’aimantation des nanoéléments magnétiques, ce qui génère des effets de magnétorésistance, c’est-à-dire de dépendance de la conductivité avec la direction de l’aimantation et/ou le champ magnétique appliqué. Ces effets permettent notamment de produire des capteurs extrêmement sensibles, en particulier de champ magnétique. De plus, il est possible de développer des dispositifs de stockage ou de manipulation de données, en particulier en exploitant l’état d’aimantation comme variable, et les effets de transfert de spin afin de renverser l’aimantation. Enfin, l’utilisation d’effets spin-orbite permet une manipulation efficace du spin, éventuellement en l’absence de tout élément ferromagnétique.
Dans le présent article, nous présentons les couches minces et les nanostructures utilisées en électronique de spin (§ 1), dans lesquelles apparaissent différents effets : magnétorésistances (§ 2), transfert de spin (§ 3) ou effets spin-orbite (§ 4). Ces effets permettent en particulier de lire et de contrôler l’état d’aimantation, et ainsi de développer des capteurs (§ 5), des mémoires (§ 6) et des dispositifs spintroniques émergents (§ 7).
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- Version archivée 1 de nov. 2002 par Michel HEHN, François MONTAIGNE, Alain SCHUHL
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2. Magnétorésistances et transport polarisé en spin
2.1 Modèle à deux courants
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Spin de l’électron
Les électrons sont porteurs d’un moment magnétique, appelé « spin ». Bien que son origine soit d’ordre quantique, il peut être interprété comme le moment magnétique associé au moment cinétique de rotation de l’électron sur lui-même.
L’existence du spin de l’électron est connue depuis un siècle environ. Il a pourtant été complètement ignoré dans l’électronique conventionnelle, basée sur la seule charge de l’électron. C’est son utilisation dans la conception de nouveaux composants électroniques qui constitue l’électronique de spin .
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Les deux courants de spin
Dans un métal ferromagnétique, la présence d’un moment magnétique orienté dans une certaine direction peut imposer aux électrons du métal, et en particulier à ceux qui participent à la conduction électronique, d’avoir leur spin aligné parallèlement (spin
) ou antiparallèlement (spin
) au moment magnétique local. Ainsi, le courant électrique global peut être décomposé en la somme des contribution dues à deux types de porteurs de charges différents, celle des électrons de spin
et celle des électrons de spin
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Magnétorésistances et transport polarisé en spin
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SESHAN (K.), SCHEPIS (D.) et al - Handbook of thin film deposition. - William Andrew (2018).
-
(2) - CUI (Z.) - Nanofabrication : principles, capabilities and limits. - Springer (2016).
-
(3) - GUIMARÃES (A.P.), GUIMARAES (A.P.) - Principles of nanomagnetism. - Berlin : Springer (2009).
-
(4) - COEY (J.) - Magnetism and magnetic materials. - Cambridge university press (2010).
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(5) - DE TERESA (J.M.) et al - Nanofabrication : Nanolithography Techniques and Their Applications. - IOP Publishing (2020).
-
(6) - e. g. PONG (P.W.T.), DENNIS (C.), CASTILLO (A.) et al - Detection of pinholes in magnetic tunnel junctions by magnetic coupling. - Journal of Applied Physics, vol. 103, n° 7, p. 07A902...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
– MRAM :
Everspin
Avalanche
https://www.avalanche-technology.com/
Samsung
Honeywell
https://aerospace.honeywell.com/
– Capteurs magnétiques :
Crocus Technology
http://www.crocus-technology.com/
– SOT-MRAM :
Antaios
– Testeurs MRAM :
Hprobe
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association Européenne du Magnétisme (European Magnetism Association EMA)
...
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