La magntorsistance gante et son application aux disques dursR. LardMatre de ConfrencesGroupe de Physique des Matriaux UMR CNRS 6634Universit de RouenRodrigue.larde@univ-rouen.fr

I- Histoire de lenregistrement magntiqueII- La magntorsistance ganteIII- Magntorsistance et disques dursPLAN DE LEXPOS

I Histoire de lenregistrement magntique

IHISTOIRE DE LENREGISTREMENT MAGNETIQUE

1898 : Poulsen (1869-1942) Le tlgraphoneEnregistrement magntique de la voixFils dacier (corde piano)=1mmElectro-aimant1880: Oberlin Smith Principes thoriques de lenregistrement magntiqueI Histoire de lenregistrement magntique

1928 : La bande magntique : une bande de papier "Kraft" revtue d'une mince couche de fer. 1935 - 40: Le magntophone lampe amplificatrice (conception allemande) Magntophone bande Magntophone filJusqu 1950, lenregistrement magntique est ddi lenregistrement du son I Histoire de lenregistrement magntique

1956 : Le 1er disque dur IBM : Le RAMAC 305 50 disques en aluminium recouverts dune couche magntique (= 61 cm)

1200 tours par minute

Capacit : 5 Mo

Taux de transfert : 8Ko/s

I Histoire de lenregistrement magntique

- Un seul bras de tte pour 50 plateaux Tte de lecture/criture - Tte pressurise (distance disque-tte : 20 m) Pas de frottementsI Histoire de lenregistrement magntique

Lordinateur de bureau est un peu encombrant.. I Histoire de lenregistrement magntique

I Histoire de lenregistrement magntique

1962 : Le RAMAC 1301 Disques en aluminium recouverts dune couche magntique (= 61 cm)

1800 tours par minute

Capacit : 28 Mo

Taux de transfert : 80Ko/s

Distance disques-ttes : 6 mBras de ttes(peigne)I Histoire de lenregistrement magntique

Le premier disque dur amovible (1962) I Histoire de lenregistrement magntique

1973 : Le Winchester 3303 (IBM)Anctre direct des disques durs modernesBotier compact contenant les plateaux, les ttes et llectronique.Capacit 30MoI Histoire de lenregistrement magntique

2007 - Le prix Nobel de PhysiqueA. Fert (1938)P. Grnberg (1939)Dcouverte de la magntorsistance gante en 1988Naissance de llectronique de spinI Histoire de lenregistrement magntique

Effet de magntorsistance ganteApplication quasi-immdiate :Ttes de lecture ultra sensibles pour disques dursAugmention spectaculaire de la densit de stockage et rduction de la taille des systmesI Histoire de lenregistrement magntique

II La magntorsistance gante

II

LA MAGNETORESISTANCE GEANTE

Le champ magntique perturbe la diffusion des lectrons au sein du matriau Augmentation ou diminution de la rsistance lectriquePerturbations de natures diffrentes4 types de magntorsistancesOrdinaireAnisotropeDiffusion dpendante du spin Force de Lorentzcouplage spin orbiteForte diminution de R quand H augmenteTunnelGanteMagntorsistance : Variation de la rsistance lectrique dun matriau provoque par lapplication dun champ magntique.II La magntorsistance gante

Courant lectrique dans un matriau conducteurCirculation des lectronsConduction lectrique dans les mtaux e- e-spin +1/2 "up"spin -1/2 "down"2 types dlectronsConstitution dun atome II La magntorsistance gante

Courant lectrique dans un matriau conducteurCirculation des lectronsMatriau conducteurIRsistance lectriqueIMatriaux conducteurs(ex: Cu,Ag, Cr)II La magntorsistance gante

Matriaux conducteurs ferromagntiquesMatriau ferromagntiqueII(ex: Fe, Co, Ni)Vibrations des atomes + Interaction magntique (agitation thermique) (diffusion dpendante du spin lectronique)Rsistance lectriqueII La magntorsistance gante

Dcouverte de la magntorsistance gante dans un matriau multicouches Fe/Cr: empilement de couches magntiques de Fe et de couches non magntiques de CrIRIDiminution de R quand H augmenteII La magntorsistance gante

Multicouches magntorsistives : mcanisme de diffusion dpendante du spinModle de Mott : modle 2 courantsConduction par deux canaux indpendants dlectronse- spin upe- spin downII La magntorsistance gante

FeCrFeCrCrIIRRRRCouplage antiferromagntique, H=0En champ magntique nul (H=0): configuration antiparallle (rsistance leve)II La magntorsistance ganteNSNS

FeCrFeCrCrIIRRRREn champ magntique non nul (H0):configuration parallle (rsistance faible)NNSS

Ttes de lecture de disques dursII La magntorsistance ganteApplications

III Magntorsistance et disques durs

III

Magntorsistance et disques durs

Constitution dun disque dur III Magntorsistance et disques durs

Les informations vont tre stockes sous forme de squences de bits "0" et de "1". Comment coder et stocker de linformation sur les plateaux ?Ecriture des squences 01001101 sur des pistes.PistesPlateauIII Magntorsistance et disques durs

Principe de lecture des donnes La lecture des donnes va se faire par dtection de champ magntique. Pour une transition N-N ou S-S Au niveau de la transition, proche de la surfacechamp magntique de fuite perpendiculaire importantFacilement dtectableBit "1" III Magntorsistance et disques durs

Pour une transition N-S ou S-N Au niveau de la transition,champ de fuite perpendiculaire nulPas de dtectionBit "0" Un "0" est en fait une absence de "1"III Magntorsistance et disques durs

SNPiste magntiqueLignes de champ magntiqueLecture des donnes par dtection du champ magntique de fuite.Horlogecommandelouverture de la fentre de mesure intervalles de temps rgulierst1t2t4t 3III Magntorsistance et disques durs

Constitution des plateaux Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants !III Magntorsistance et disques durs

Structure de la couche magntiqueElaboration par dpt de couches minces.Enregistrement longitudinal = Aimantations dans le plan du disque Grains magntiques spars par du CrEpitaxieIII Magntorsistance et disques durs

Grains magntiques spars pas du CrAimantation globaledun grain(1 domaine magntique)CrRduire le couplage magntique entre grainsIII Magntorsistance et disques durs

Plateau(couches magntique)Principe dcriture des donnes III Magntorsistance et disques durs

pistes11111PistesW < 0,5 mOrganisation en pistesEspaceinter-pistesIII Magntorsistance et disques durs

Observation des bits de donnes en microscopie force magntiquepistesZones brillante = "1" Zones sombres = 0" III Magntorsistance et disques durs

Les ttes de lecture/critureBrasSliderBrasSlider=Support de tte3 mm4.025 mmRailContactslectriquesEpaisseur du rail400 m

TtesForme arodynamique du sliderLes ttes vont voler au dessus de la surface des plateaux (v ~ 120 km/h)Dtermine la hauteur de vol (distance ttes-plateaux ~ 10 nm )III Magntorsistance et disques durs

Technologie de ttes volantes (Air Bearing System) Plateau au reposPlateau en rotationPlateau "Tapis dair "sliderttesIII Magntorsistance et disques durs

Lorsque les ttes scrasentIII Magntorsistance et disques durs

sliderBouclier magntiqueTte de lectureEntrefer

BobineCourant dcritureCourant de lecture~ 5 mIII Magntorsistance et disques durs

Observation de ttes au microscope lectronique Entrefer

Disque dur en actionTransfert de donnes dun Cd-Rom vers le disque dur (R. Lard, GPM UMR CNRS 6634)III Magntorsistance et disques durs

Augmentation de la densit de stockage Diminution de la taille des bitsDensit de stockage = Nombre de bits par unit de surfaceEn 2003 : 100 Gbits/Inch2 (~ 15 Gbits/cm2)En 1956 : 2000 bits/Inch2 (~ 300 bits/cm2)Prvisions : 50 Tbits/Inch2 (~ 750 Gbits/cm2)III Magntorsistance et disques durs

Diminution de la taille du bitpar rduction du diamtredes grains12Comment faire pour diminuer la taille des bitsDiminution de la taille du bitpar rduction du nombre de grainsRSB(rapport signal sur bruit)RSB N III Magntorsistance et disques durs2

On ne peut se contenter de la seule rduction de taille des bits !Rduction de la taille des bits = diminution de lintensit des champs de fuite dtectablesNNSSNNSSNNSSNNSSBBNNSSNNSSBBttesttesH : hauteur de volH : hauteur de volAugmentation du bruit de fondIl faut donc rduire la hauteur de vol et augmenter la sensibilit des ttes de lecture.mmmmfaible gradient de champgradient de champ importantIII Magntorsistance et disques durs

Des ttes de lecture plus sensibles En 1988 : Albert Fert dcouvre la magntorsistance gante (MRG)Apparition des vannes de spinOn dtecte les champs de fuite par variation de la rsistance lectrique.Un champ magntique trs faible provoque une forte variation de la rsistance lectriqueIII Magntorsistance et disques durs

Lignes de champ magntiqueVanne de spinVariation de la rsistance lectriqueDtection des champ de fuites ( dtection des bits "1)III Magntorsistance et disques durs

III Magntorsistance et disques durs

Autres technologies utilises pour augmenter la densit de stockage : Lenregistrement perpendiculaire Les aimantations ne sont plus dans le plan des plateaux mais perpendiculaires aux plateaux.Enregistrement longitudinalEnregistrement perpendiculaireIII Magntorsistance et disques durs

Evolution de la densit de stockageIII Magntorsistance et disques dursAnnesDensit de stockage (Gb/inch)

RAMAC 1311 (1962)1952 - 2008Les disques durs

Les disques durs

Fin

Diminution de la taille des bits : la limite physique du super-paramagntisme !Dans une nanoparticule magntique lorientation de laimantation est dtermine par laxe danisotropieE = K.V.sin()2Axe danisotropiemEtat stableEtat stableEtat instableKvLa barrire dnergie VAimantation stable pour K.V >> k.T Si V trop faible K.V ~ kTFluctuation de laimantationpar agitation thermiquePerte de linformation stockeIII Magntorsistance et disques durs

Vaincre le super-paramagntisme !Augmentation de lanisotropieUtilisation de matriaux magntiquement durs (anisotropie plus forte)Problme:Ecriture assiste par LASERDiminuer la temprature (disques azote liquide) impensable !! Solutions retenuesMaintenir laimantation stable par un couplage magntique(pigeage)AFC media (IBM 2001)Champ dcriture ncessaire beaucoup plus levIII Magntorsistance et disques durs

Grains magntiques forte anisotropieEntreferBobineCourant dcritureLASERLe champ dcriture seul nest plus suffisant pour orienter les aimantations.Le LASER apporte de lnergie thermique. Enregistrement assist par LASER k.T + B Retournement de laimantationIII Magntorsistance et disques durs

Autres technologies utilises pour augmenter la densit de stockage : Les " patterned media"Organisation de plots FePt (forte anisotropie) sur la surface du disqueaimantationUn seul grain (plot) par bits50 TBits/inch2III Magntorsistance et disques durs

I-1.4. LE MCANISME : la diffusion dpendante du spinMtaux de transition(Cu, Fe, Co)Evnements de diffusion :les lectrons 4s vhiculent le courant lectrique 2 canaux indpendants4s+ (spin up) et 4s- (spin down)Modle de Mott (1936)MCouche de FeCouche Cr

La diffusion des lectrons dpend de lorientation du spin par rapport laimantationRetournement daimantationMI+CuI-I-1.4. LE MCANISME : la diffusion dpendante du spinCouche CrMCouche de Fe

Champ magntique nulDistribution alatoire des moments magntiquesChamp magntique levMoments magntiques aligns avec le champLes 2 canaux subissent le mme nombrede diffusions 4s 3d Seul le canal de spin down subitla diffusion 4s 3d Rsistance leveRsistance faibleI-1.4. LE MCANISME : la diffusion dpendante du spin