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électronique de spin

Électronique dans laquelle on agit sur le spin des électrons pour contrôler leur déplacement.

Principe de fonctionnement

L’électronique de spin exploite une caractéristique quantique de l’électron, le spin, que l’on peut imaginer comme une minuscule aiguille de boussole portée par la particule. Alors que l’électronique classique guide les électrons en exerçant une force sur leur charge électrique (le déplacement des électrons constitue le courant électrique), l’électronique de spin les guide en agissant sur leur spin. En pratique, on fait passer les électrons au travers de couches ultraminces de matériaux ferromagnétiques comme le fer ou le cobalt, dans lesquels s’exerce une forte interaction entre le spin de l’électron et l’aimantation du matériau ferromagnétique. En orientant cette aimantation, il est possible d’agir sur le spin et de contrôler le mouvement des électrons.

De la théorie aux premières réalisations

Dès les années 1930, sir Nevill Francis Mott avait envisagé que le spin intervienne dans la conduction électrique. La confirmation expérimentale de cette influence du spin sur le mouvement des électrons et le développement de modèles théoriques permettant de l’expliquer sont intervenus vers 1970 dans plusieurs laboratoires européens, notamment à Orsay, avec des recherches fondamentales de A. Fert sur la conduction dans les métaux ferromagnétiques. Mais l’exploitation de cet effet n’est devenue possible qu’à la fin des années 1980, lorsque les progrès technologiques ont permis l’élaboration de couches ultraminces et de structures artificielles de toute petite échelle. Les phénomènes intéressants d’électronique de spin sont en effet obtenus dans des « nanostructures magnétiques », structures artificielles associant plusieurs matériaux dans une architecture à l’échelle du nanomètre. Les premières nanostructures magnétiques ont été des multicouches empilant en alternance des strates d’un métal ferromagnétique (par exemple du fer) et d’un métal non-magnétique (par exemple du chrome).

Les applications

La première manifestation d’électronique de spin a été la magnétorésistance géante des multicouches magnétiques, découverte en 1988, indépendamment, par A. Fert en France et P. Grünberg en Allemagne. Ce phénomène a notamment été appliqué à l’élaboration de têtes de lecture qui ont permis d’accroître considérablement la capacité de stockage des disques durs, en informatique. Il a aussi été exploité dans la réalisation de capteurs de champs magnétiques, utilisés dans l’automobile et l’industrie de la défense. D’autres applications importantes de l’électronique de spin sont attendues dans les technologies de l’information et de la communication, en particulier dans les secteurs de la téléphonie mobile, de l’informatique portable et de l’électronique embarquée. On s’intéresse particulièrement aujourd’hui aux jonctions tunnel magnétiques (Magnetic Tunnel Junctions, MTJ) et à la magnétorésistance qui leur est associée (Tunnel MagnetoResistance, TMR). Une MTJ se compose de deux couches ferromagnétiques séparées par une couche isolante d’environ un nanomètre d’épaisseur à travers laquelle les électrons ont une certaine probabilité de passer, par un phénomène quantique appelé « effet tunnel ». Comme dans le cas de la magnétorésistance géante, la résistance de la jonction est différente selon que les aimantations des couches ferromagnétiques sont orientées dans le même sens ou en sens opposé. Ce phénomène se révèle très prometteur pour la réalisation de mémoires électroniques permanentes, très rapides et économes en énergie, les MRAM (Magnetic Random Access Memory).