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Le prix Nobel de physique 2007: la magnétorésistance géante

Généralement, le prix Nobel de physique est relatif à des travaux dont les retombées pratiques par rapport aux préoccupations du public et de la société sont très lointains ou très indirects. Pourtant, ces dernières années, à deux reprises, ce prix a couronné des travaux par lesquels le public, le commerce, l’industrie… sont directement concernés. En effet, le prix Nobel de 2000 est venu récompenser l’invention du « circuit intégré » - encore appelé « puce électronique » - omniprésent de nos jours et sans lequel nos ordinateurs, nos téléphones portables, cartes bancaires… n’auraient jamais vu le jour ; le prix Nobel 2007 a couronné la découverte en 1988 d’un effet magnétique - appelé magnétorésistance géante - qui a permis en dix ans d’augmenter de manière fulgurante la densité de stockage des disques durs des ordinateurs, qui atteint aujourd’hui 20 giga-bits/cm2 ! L’informatique a constitué ainsi l’enjeu principal de ces deux prix Nobel à retombées publiques.

Qu’est-ce que la magnétorésistance ?

La résistance électrique est une grandeur avec laquelle les écoliers sont familiers et dont les adultes non scientifiques conservent généralement un vague souvenir. Cela évoque chez petits et grands la « loi d’Ohm » ou U = R.I : qui relie la tension U (exprimée en volts) appliquée aux bornes d’un conducteur, à l’intensité I (en ampère) qui le parcourt. Moins le conducteur résiste et plus cette intensité est élevée. Rappelons que l’intensité exprime le nombre de charges électriques qui franchissent toutes les secondes une section du conducteur : environ 6.1018 électrons par seconde franchissent une section d’un fil électrique parcouru par un courant de un ampère. La résistance électrique R - coefficient de proportionnalité entre U et I - est finalement une notion intuitive que l’on pourrait résumer ainsi : « plus la résistance est élevée, et moins il y a de courant qui passe ». Dans la mesure où un champ magnétique convenablement orienté peut courber la trajectoire des électrons, on peut concevoir qu’un tel champ puisse modifier la résistance électrique qu’offre un conducteur au passage du courant : on parle de magnétorésistance. Et en effet, ce phénomène a été découvert en 1857 par William Thomson (1824-1907), plus connu sous le nom de Lord Kelvin. Sachant que la résistance électrique d’un matériau peut changer de quelques pourcents en fonction du champ magnétique auquel il est soumis, il est facile d’imaginer un dispositif permettant de déterminer la valeur d’un champ magnétique à travers la mesure d’une résistance électrique. Effectivement de tels instruments de mesure, détecteurs, et capteurs ont vu le jour après la découverte de Kelvin. A la fin des années 1980, soit après 130 ans de recherches théoriques et appliquées relatives à la magnétorésistance, il était communément admis qu’aucun progrès supplémentaire ne permettrait dans un avenir proche d’améliorer les performances des capteurs à magnétorésistance. Aussi, des articles pessimistes partageant cette opinion étaient publiés à cette époque dans des journaux faisant autorité.

La magnétorésistance géante

Chose extraordinaire, en 1988, dans cette atmosphère pessimiste, le Français Albert Fert, alors âgé de 50 ans, et indépendamment de lui l’Allemand Peter Gruenberg, 49 ans, font une découverte totalement inattendue, impensable : une variation de résistance très importante, d’environ 50 %, est mise en évidence dans… une multicouche magnétique, une sorte de « millefeuilles » de laboratoire très spécial qu’étudiaient les deux physiciens des solides depuis de longues années. Plus précisément, une telle multicouche est constituée d’un empilement de couches métalliques - de quelques nanomètres d’épaisseur - alternativement ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel) et non-magnétiques (chrome, cuivre…). Ce nouveau phénomène découvert par Fert et Gruenberg est baptisé tout naturellement magnétorésistance géante ou GMR en anglais pour Giant magnetoresistance. Nous allons le voir, cet effet résulte de l’influence du spin de l’électron sur la conduction électrique, dans certaines conditions : si l’électricité, ou l’électronique, font intervenir la charge de l’électron, la spintronique (à laquelle a conduit la GMR) fait intervenir le spin de l’électron.

Albert Fert

La physique de la GMR

La physique en jeu dans cette toute nouvelle forme de magnétorésistance repose sur deux phénomènes distincts :
- le mouvement des électrons à travers les couches magnétiques en fonction de leur spin,
- l’orientation relative des aimantations des couches magnétiques.

Peter Gruenberg

Les électrons et leur spin

Avec la naissance de la mécanique quantique dans les années 1920, les physiciens ont pu montrer théoriquement et expérimentalement que l’électron se comporte comme un minuscule aimant : il possède ce que l’on appelle un « moment magnétique » ou « spin » que l’on représente traditionnellement à l’aide d’une flèche indiquant l’orientation de ce champ magnétique. Au cours des années 1970 Albert Fert avait étudié la manière dont les électrons se déplacent, diffusent, dans une couche aimantée en fonction de l’orientation de leur propre « aimantation » ou spin. Il avait montré que la résistance que rencontre un électron qui traverse une couche aimantée dépend de l’orientation de son spin par rapport à celle de l’aimantation de la couche. On peut ranger en deux moitiés les électrons d’un courant électronique traversant une couche aimantée : ceux dont le spin est dans le même sens que l’aimantation de la couche ou « spin parallèle », et ceux dont l’aimantation est en sens opposé ou « spin antiparallèle ». On observe ainsi deux courants électriques indépendants qui traversent la couche magnétique : les intensités respectives de ces deux courants d’électrons peuvent être dans un rapport dix. Dans la pratique, quelle que soit l’orientation de la couche, statistiquement, 50 % des spins électroniques sont « bien » orientés et ces électrons passent, 50 % sont « mal » orientés et sont bloqués. Ainsi, une fine couche magnétique placée sur le trajet d’un courant d’électrons « filtre » les spins : elle laisse passer principalement un seul type de porteur, par exemple ceux dont le spin est parallèle à son aimantation, et bloque majoritairement les autres. Autrement dit, on peut « polariser en spin » un courant en interposant sur son passage une fine couche magnétique

Aimantations dans une multicouche

Dans une multicouche magnétique non soumise à un champ magnétique externe, deux couches aimantées successives (séparées par une couche non magnétique) interagissent et s’orientent naturellement en sens opposés, en « configuration antiparallèle », à la manière de deux barreaux aimantés placés côte à côte qui se positionnent tête-bêche. La configuration antiparallèle des couches magnétiques étudiée par Peter Gruenberg dans les années 1980, conjuguée au comportement spin-dépendant des électrons traversant une couche aimantée, permet d’expliquer la GMR.

La GMR expliquée

D’une part, nous savons grâce aux travaux de Albert Fert que seule la moitié des électrons possédant un spin « bien » orienté peut facilement traverser une couche aimantée. D’autre part, grâce à Peter Gruenberg, nous savons que dans une multicouche, deux couches aimantées successives sont naturellement orientées de manière antiparallèle. De ces deux faits on peut conclure que la résistance d’une multicouche magnétique est nécessairement grande. En effet, la moitié des électrons rencontre une forte résistance en traversant la première couche magnétique ; l’autre moitié, peu gênée lors de la traversée de la première couche, rencontre toutefois une forte résistance lorsqu’elle aborde la deuxième couche. Autrement dit, si ce n’est pas la première couche qui oppose une grande résistance, c’est la deuxième qui le fera, puisque ces deux couches sont orientées en sens opposés. Ainsi, en configuration antiparallèle, 100 % des électrons rencontrent une grande résistance. Supposons à présent qu’à l’aide d’un champ magnétique externe, on oriente les couches magnétiques d’une multicouche en configuration parallèle. Dans cette situation, seule la moitié des électrons rencontrera une grande résistance, l’autre moitié traversera facilement la multicouche. Ainsi, la résistance d’une multicouche magnétique chute fortement avec l’application d’un champ magnétique externe : la GMR est expliquée.

L’électronique de spin

 La GMR a permis la réalisation de ce que l’on pourrait appeler une « vanne de spin » commandée par champ magnétique. En effet, il suffit d’employer deux couches magnétiques astucieusement choisies : l’une, appelée « couche dure », insensible, « n’obéissant pas » à un champ magnétique externe ; l’autre, appelée « couche douche », « obéissant », au contraire et voyant son aimantation tourner en fonction de l’intensité du champ magnétique extérieur. Ainsi, en fonction de son orientation, un champ magnétique externe va imposer au système une configuration parallèle ou antiparallèle : l’alignement relatif des deux filtres à spin et donc la valeur de la résistance électrique sont alors directement sensibles à l’intensité du champ externe. Un tel dispositif devient ainsi un véritable capteur de champ magnétique très sensible. Ce genre de capteur est employé dans les têtes de lecture des ordinateurs pour lire les bits magnétiques enregistrés sur les disques durs. Chaque année plus de 600 millions de têtes de lecture GMR sont fabriquées par l’industrie informatique. Dans la mesure où ses capteurs sont très petits, la densité des bits magnétiques peut être très élevée. Cela a justement conduit depuis une dizaine d’années à une augmentation très importante de la capacité des disques durs. Il s’agit d’une des applications de cette nouvelle branche de l’électronique que l’on appelle pour des raisons évidentes l’électronique de spin ou spintronique.

Les autres formes de magnétorésistance

L’électronique de spin met également en jeu d’autres formes de magnétorésistance, certaines avec un avenir très prometteur du point de vue de leurs applications : la magnétorésistance à effet tunnel, la magnétorésistance colossale, la magnétorésistance balistique, et la magnétorésistance extraordinaire.

La magnétorésistance à effet tunnel

Si les couches magnétiques dans une multicouche ne sont plus séparées par une couche conductrice comme dans la GMR, mais par une couche d’un matériau isolant, le transport des électrons devient un phénomène purement quantique appelé « effet tunnel ». Dans une approche classique, l’isolant constitue une barrière infranchissable pour les électrons. Mais le caractère ondulatoire de l’électron que la mécanique quantique a révélé, lui confère une certaine probabilité non nulle de traverser la barrière. La prochaine génération des têtes de lecture emploiera vraisemblablement cette forme de magnétorésistance. Par ailleurs, grâce à la magnétorésistance à effet tunnel on sait aujourd’hui fabriquer des mémoires RAM (Random Access Memory) magnétique ou MRAM (Magnetic Random Access Memory), susceptibles de remplacer les mémoires vives des ordinateurs. Le gros avantage de la MRAM : il s’agit d’une mémoire non volatile, c’est-à-dire qui ne s’efface pas à l’extinction de l’ordinateur. Il ne sera donc plus nécessaire d’enregistrer les informations de la mémoire vive sur le disque dur avant d’éteindre l’ordinateur.

La magnétorésistance colossale

Il s’agit d’une forme de magnétorésistance qui se produit dans des cristaux d’oxydes de manganèse. A une température inférieure à –120°C, un champ magnétique fait passer le matériau de son état isolant vers un état conducteur. Cette forme de magnétorésistance a été découverte en 1950 aux Pays-Bas puis redécouverte en 1994 aux Etats-Unis.

La magnétorésistance balistique

Dans la magnétorésistance balistique, deux fils métalliques très fins et magnétiques sont reliés par un contact nanométrique si petit que le transport des électrons à travers le contact se fait de manière balistique, c’est-à-dire sans diffusion-collision contre les atomes du nanocontact. En fonction des aimantations parallèle ou antiparallèle des deux métaux magnétiques, la résistance électrique est faible ou au contraire très grande.

La magnétorésistance extraordinaire

La magnétorésistance dite « extraordinaire » met en jeu un métal non magnétique et un semi-conducteur. Elle résulte de la modification de la configuration du champ électrique dans le semi-conducteur, sous l’action qu’exerce le champ magnétique externe sur la trajectoire des électrons dans le matériau.