Copyright©2017,MOOCNano,COMUEUniversitéParisSaclay&UniversitéParis-Sud

MOOC:Comprendrelesnanosciences

4.2b – Electronique de spin et Nanotechnologies

Si je résume la situation, j'ai montré que la rencontre entre la physique pure, la physique de la conduction électrique dans les matériaux magnétiques et de l'arrivée de nouvelles technologies, de ce qu'on appelle aujourd'hui les nanotechnologies, cette rencontre a permis de découvrir la magnétorésistance géante. Cette magnétorésistance géante a conduit tout de suite à des applications mais je dois dire que la conséquence la plus importante a été le développement d'une nouvelle science qui s'appelle la spintronique. On peut la définir comme une électronique qui exploite non seulement la charge des électrons mais aussi le spin des électrons, le magnétisme des électrons. C'est une science qui depuis s'est énormément développée, on peut dire qu'il y a eu une période de spintronique classique avec les effets de TMR, magnétorésistance tunnel, de spin-transfert torque, donc je vais parler. Actuellement, il y a un domaine qui se développe c'est celui qu'on appelle la spin-orbitronique basée sur des effets relativistes en spintronique. Il y a également la magnonique, la skyrmionique dont je vais parler et je vais prendre d'autres exemples d'applications de ces développements de la spintronique. Je vais parler par exemple d'applications de la TMR, la magnétorésistance tunnel et du spin-transfert torque STT aux mémoires RAM qu'on appelle MRAM, Magnétique Random Access Memory. Qu'est ce que la TMR ? La TMR est un peu comme la GMR mais cette fois on a deux couches magnétiques séparées par une couche isolante. Ici la couche d'oxyde de magnésium entre deux couches de fer. La propriété est un peu près la même que la GMR c'est à dire qu'on a une résistance électrique. La différence est que cette fois la conduction n'est pas une conduction dans un métal, elle se fait par un effet quantique qui s'appelle l'effet tunnel, le passage d'électrons à travers une barrière isolante qui est un mécanisme de mécanique quantique pour des couches isolantes extrêmement fines. Et le résultat final est un peu le même, le courant est vertical mais la résistance de cette jonction tunnel est différente quand les aimantations des deux couches de fer sont parallèles ou en direction opposée. Dans ces jonctions tunnel, on peut découper ces petits carrés, ces petits cubes que vous voyez à gauche qui vont être des éléments mémoire qui auront une mémoire binaire, 0 ou 1 selon que les aimantations des deux couches magnétiques sont parallèles ou en direction opposée, et c'est la base des mémoires qu'on appelle MRAM. Je dois expliquer un peu à quoi servent les RAM, Random Access Memory que vous avez dans votre ordinateur qui sont actuellement des RAM à semiconducteur. Dans un ordinateur vous avez une mémoire de masse dans le disque dur mais le temps d'accès à cette mémoire est long, il faut une milliseconde pour acquérir l'information ce qui est beaucoup trop long pour la vitesse des ordinateurs d'aujourd'hui. Donc quand vous allumez votre ordinateur, vous stockez une partie de la mémoire du disque dur dans des RAM. Ces RAM à semiconducteurs ont la propriété d'avoir un temps d'accès très court, de l'ordre de la nanoseconde mais leur défaut est d'être volatiles. Il faut continuellement leur fournir de l'énergie pour qu'elles conservent leur mémoire. Et c'est l'une des principales sources de consommation d'énergie de nos ordinateurs actuels. L'idée qui a été introduite en 2006 et développé par des compagnies comme Motorola ou Everspin est de remplacer les cellules mémoire à semicondcuteur par ces cellules mémoire MRAM qui sont des jonctions tunnel magnétiques, les petits cubes que vous voyez en haut de l'écran à droite et de les arranger en des réseaux commandés pour avoir un accès rapide à chaque mémoire, cellule mémoire individuellement. Dans cette première génération de MRAM la commande d'écriture se faisait par des impulsions de champ électriques qui créent des champs magnétiques dans ces lignes que vous voyez en bleu sur la figure. Ce n'est pas une commande très locale d'aimantation, on ne pouvait rapprocher suffisamment les cellules mémoires, la densité n'était pas très forte et cette première génération de MRAM a eu simplement des applications assez limitées, vous n'avez pas de MRAM dans les ordinateurs aujourd'hui. Mais les applications intéressantes sont venues dans tout ce qui est avionique, espace, défense pour des propriétés différentes, c'est-à-dire le fait que ces mémoires MRAM ne sont pas sensibles aux radiations de l'atmosphère. La nouvelle génération certainement va avoir beaucoup plus d'impact sur la technologie des ordinateurs, elle va utiliser aussi ce qu'on appelle le spin-transfer torque qui est le phénomène suivant que va être décrit par cette animation. Si on envoie dans un matériau magnétique, dans une mémoire magnétique un courant dont les directions de spin sont orientées, dans l'action négative, dans l'action vers le bas, on va pouvoir inverser comme

Copyright©2017,MOOCNano,COMUEUniversitéParisSaclay&UniversitéParis-Sud

MOOC:Comprendrelesnanosciences

vous le voyez l'aimantation. C'est une commande purement électronique de l'écriture d'une cellule magnétique, d'une mémoire magnétique et c'est utilisé dans la prochaine génération de STTRAM qui a été actuellement développé et qui va certainement apparaitre dans nos ordinateurs dans 2-3 ans. On voit les grandes compagnies comme Samsung ou d'autres compagnies développer déjà des unités de fabrication de ces mémoires qui vont apparaitre dans les ordinateurs et réduire certainement leur consommation de manière significative. Au fond, une MRAM c'est encore une jonction tunnel mais cette fois la commutation de l'aimantation d'une des couches magnétique entre les deux directions du vecteur rouge + et - se fait simplement en envoyant un courant électrique polarisé en spin qui va permettre de commuter entre les 2 états de mémoire. C'est donc des choses qui vont certainement être très bientôt dans nos ordinateurs, dans les circuits logique aussi bien que pour remplacer ce qu'on appelle les DRAM de nos ordinateurs. Et il y a encore d'autres applications de ce type de structures. Dans d'autres conditions, on peut non pas utiliser ce type de jonction tunnel comme cellule mémoire mais pour générer des oscillations d'aimantation finalement, générer des signaux dans le domaines de radiofréquences, dans le domaine des fréquences radio. Et c'est aussi une nouvelle génération d'oscillateurs qu'on appelle STT-nanoscillateur qui va aussi apparaitre prochainement dans les technologies de télécommunication. Donc je vais revenir aux problèmes de stockage de masse d'information. J'ai parlé des disques durs et des progrès qui ont été permis par la magnétorésistance géante des multicouches magnétique mais en fait il existe un désavantage important des disques durs et qu'il y a un système mécanique qui permet de déplacer la tête de lecture sur le disque pour écrire ou lire l'information. Et un système mécanique est fragile d'abord, vous n'avez pas intérêt à laisser tomber votre ordinateur par terre au risque de casser ce système mécanique. C'est aussi un système qui consomme de l'énergie. L'idéal serait d'avoir un système purement électronique pour stocker l'information pour lire et écrire cette information. Je vais parler d'une direction actuelle, c'est une des directions possibles, qui est d'utiliser de nouveaux objets magnétiques qu'on appelle les skyrmions. Les skyrmions sont décrits pas les images que vous voyez. Ce sont des enroulements très locaux de spin supposés dans ces images être dans une couche magnétique avec aimantation perpendiculaire. Ces nœuds de spin qui peuvent être très petits de seulement quelques nanomètres. Ils sont générés par des effets relativistes, des interactions de Dzyaloshinskii-Moriya. Je ne vais pas décrire la physique de ces skyrmions. Leur propriété est qu'ils sont topologiquement protégés c'est-à-dire qu'on ne peut pas les débobiner facilement même si ils sont très petits. Ils peuvent subsister dans de nombreuses situations. Le concept de protection topologique est un concept mathématique qui a été introduit pas Mr Skyrm pour résoudre certains problèmes de particules élémentaires. Et l'autre propriété de ces enroulement c'est qu'ils se comportent comme des particules indépendantes et on peut les déplacer avec un courant électrique. Un courant électrique les met en mouvement comme ceci. C'est une propriété intéressante. Vous voyez une simulation de mouvement de ces skyrmions dans une piste. Donc l'idée est de remplacer ce système avec une tête qui se déplace par un mouvement de skyrmions dans la piste magnétique qui va se déplacer vers la tête d'écriture, de lecture comme vous le voyez. C'est actuellement une direction intéressante et on est encore dans ce domaine au niveau de l'exploration de la physique de ces skyrmions mais déjà les projets apparaissent avec un intérêt certain notamment du à la grande quantité d'information qu'on peut stocker car ces skyrmions peuvent être extrêmement petits, quelques nanomètres seulement et d'autre part on peut les déplacer très facilement avec de faibles densités de courant dans des pistes magnétique et cela évite tout le système des disques dures actuels. Faible consommation d'énergie grâce aux petits courants nécessaires pour les déplacer. Donc je résume l'ensemble de mon intervention disant qu'on a vu comment la rencontre entre physique pure et nanotechnologies a permis d'arriver à la magnétorésistance géante. On a vu les premières application et que ce domaine se développe énormément. J'ai parlé de quelques applications mais pour conclure je peux dire qu'il y aussi d'autres applications possibles. Par exemple il y a l'orbitronique de spin, utiliser des effets relativistes pour remplacer le torque de transfert de spin par ce qu'on appelle spin-orbite torque dans des nouvelles RAM qu'on appelle SOT-MRAM également d'autres applications de la magnonique etc. Donc ça continue. Je suis émerveillé de voir comment les choses continuent de cette façon là. Pour conclure je dirais puisque vous êtes en train de vous engager dans des études en nanosciences qui peuvent aboutir soit à des études dans des laboratoires de recherche d'autres dans les laboratoires industriels.

Copyright©2017,MOOCNano,COMUEUniversitéParisSaclay&UniversitéParis-Sud

MOOC:Comprendrelesnanosciences

Donc la porte est ouverte pour vous et pour d'autres découvertes en spintronique et d'autres innovations également. A vous de jouer ! Albert Fert