Thématique Nanomagnétisme et Electronique de Spin

Le projet Nanomagnétisme et Electronique de Spin est animé par :
J. Cibert, Institut Neel, CNRS,
Y. Samson, DRFMC, CEA
V. Dupuis, LPMCL, UCBL

Programme scientifique présenté dans le cadre du dossier "Programme pluriannuel 2007-2010" déposé par le cluster Micro-Nano auprès de la Région Rhône-Alpes.

Le thème "nanomagnétisme et électronique de spin" conjugue deux compétences très fortes de la région Rhône-Alpes : les études fondamentales en magnétisme et matériaux magnétiques, et les études appliquées en micro et nanoélectronique. La création en 2002 du laboratoire Spintec, par des chercheurs issus du Laboratoire Louis Néel (CNRS) et du Département de Recherche Fondamentale (CEA), en liaison avec le LETI ainsi que l’INPG et l’UJF, concrétise cette double compétence. Une start-up -Crocus Technologies- vient d’être créée pour valoriser une nouvelle technologie dans le domaine des MRAM (Magnetic Random Access Memories : mémoires magnétiques à accès aléatoire), issue des laboratoires de la Région. Le projet lui-même mobilise, essentiellement sur Grenoble, et sur Lyon, plusieurs laboratoires allant de la recherche de base aux applications (avec dans ce cas un lien très fort avec l’industrie). En France, une telle concentration de laboratoires dans ce domaine est unique - mise à part, peut-être, la Région Ile-de-France, qui a beaucoup investi dans ce domaine ces dernières années.

Les études qui sont menées comprennent l’élaboration et la nanofabrication, l’étude des propriétés physiques et la mise au point de moyens d’études, la compréhension des mécanismes mis en jeu, la recherche de nouvelles fonctionnalités et la mise au point de composants de l’électronique de spin. Les systèmes étudiés sont des hétérostructures ou des nanostructures qui intègrent des matériaux traditionnels du magnétisme (métaux magnétiques) ou de l’électronique (silicium, semiconducteurs composés), parfois ensemble (structures hybrides), ou des matériaux plus originaux (matériaux magnétiques à forte polarisation, semiconducteurs magnétiques, systèmes hybrides : Ferromagnétique/Supraconducteur).

Les enjeux du domaine impliquent des démarches de deux types : (i) susciter des études communes entre les laboratoires de recherche fondamentale et appliquées ; (ii) développer des études originales qui permettront éventuellement des applications à long terme. On doit souligner l’intérêt de former des jeunes chercheurs dans les laboratoires de recherche fondamentale, qui seront recrutés dans les laboratoires d’applications, ou encore l’intérêt de thèses en cotutelle entre les deux types de laboratoires.

A court terme, les applications concernent les medias (supports d’enregistrement, têtes de lecture...) et le stockage de l’information (MRAM). Des mécanismes élémentaires (magnétorésistance tunnel, dynamique de l’aimantation, commutation de l’aimantation par un courant électrique polarisé en spin) ne sont pas encore totalement compris et encore moins maîtrisés. Un gros effort est entrepris dans les laboratoires d’applications et même les laboratoires industriels, mais le sujet réclame encore le soutien d’études amont (mise au point d’outils de mesure et de simulation, compréhension des mécanismes, études d’objets modèles, contrôle des matériaux et des interfaces).

L’utilisation de structures hybrides matériau ferromagnétique / semiconducteurs ou supraconducteur offre des perspectives beaucoup plus larges mais pose des problèmes plus complexes aussi bien de maîtrise des interfaces que de compréhension des mécanismes. Le problème de l’injection de spin dans le semiconducteur n’est toujours pas suffisamment maîtrisé, même si l’on s’accorde à reconnaître le rôle que peut jouer une barrière isolante insérée à l’interface. Les effets de proximité Ferromagnétique/Supraconducteur sont à l’étude pour rendre compte de la compétition entre deux ordres antagonistes (alignement des spins dans les aimants / spins antiparallèles dans les paires de Cooper). Mais surtout, de nouvelles structures et de nouvelles fonctions doivent être imaginées. Comme dans le cas précédent, un très fort couplage entre les compétences des laboratoires de recherche fondamentales et les laboratoires d’applications doit être encouragé. On ne peut pas se contenter de n’étudier que les matériaux compatibles avec la filière silicium et les mesures de transport : les études mettant en jeu des matériaux modèles, des mesures complémentaires que ceux-ci permettent (spectroscopies...) conservent tout leur intérêt. On doit aussi envisager des mesures simultanées des propriétés de transport et de ces mesures complémentaires.

Une intégration plus poussée consiste à rendre le semiconducteur lui-même ferromagnétique. Plusieurs semiconducteurs présentant un ferromagnétisme induit par les porteurs ont été mis au point, en particulier à Grenoble. Les semiconducteurs magnétiques actuels ont des températures critiques encore trop basses. Les recherches se sont orientées dans plusieurs directions complémentaires : la recherche de matériaux à température critique aussi élevée que possible, la recherche de semiconducteurs ferromagnétiques compatibles avec les filières technologiques, la conception et l’étude de nanostructures assurant des fonctionnalités nouvelles. L’essentiel de l’activité concerne la recherche fondamentale, mais des études avancées de l’intégrabilité et de l’intérêt de fonctions nouvelles pour de nouveaux types de composants sont d’actualité et doivent être menées en commun.

Enfin, tout un domaine de la recherche fondamentale s’est développé sur les propriétés et la manipulation du spin dans les semiconducteurs et leurs nanostructures (boîtes quantiques), ou les propriétés et la manipulation des objets magnétiques (parois, vortex...) dans les métaux magnétiques et leurs nanostructures. Les perspectives d’applications sont certainement beaucoup plus lointaines (information quantique, logique à base de domaines magnétiques, courants de spin non dissipatifs...) mais sont reconnues dans la communauté internationale, y compris par les industriels (le résident Intel à University of California at Los Angeles proclame, à propos de ce domaine, "spintronics is an option for the future"). Là encore, les atouts des laboratoires de la Région sont importants, et un soutien de ces programmes dans les années à venir paraît indispensable.