La spintronique
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La spintronique
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<strong>La</strong> <strong>spintronique</strong><br />
Alain Schuhl<br />
Professeur à l’Université Joseph Fourier<br />
Directeur de Spintec
Plan de la présentation<br />
Les nanotechnologies<br />
<strong>La</strong> <strong>spintronique</strong><br />
SPINTEC
Plan de la présentation<br />
Les nanotechnologies<br />
<strong>La</strong> <strong>spintronique</strong><br />
SPINTEC
Hier les naotechnologies…<br />
<strong>La</strong> coue Lycurgus : 4 th Century A.D.<br />
Vert par reflexion<br />
Rouge par transmission<br />
Particules d’or et<br />
d’argent et dans la<br />
coupe Lycurgus<br />
The British Museum. http://www.thebritishmuseum.ac.uk
Demain les nanotechnologies…
Applications à l’aéronautique<br />
Stockage de l’hydrogène dans des nanotubes de carbone<br />
Matériaux<br />
auto-cicatrisant<br />
Source d’énergie<br />
distribuée<br />
Antennes dans<br />
des nanocavités<br />
Peintures<br />
Revêtements<br />
hydrophobes<br />
Surfaces<br />
auto-nettoyantes<br />
Auto-dégivrantes<br />
Nano-capsules pour<br />
stockage de l’énergie<br />
Cellules<br />
photovoltaïque<br />
Avions morphoadaptables<br />
Nanocapteurs sans fils<br />
Nanocapteurs pour la<br />
lamination du flux d’air
Un nanomètre, c’est quoi ?<br />
10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9<br />
cm mm µm nm<br />
2 nm<br />
5 µm<br />
100 nm<br />
2 cm<br />
1 mm<br />
5nm<br />
100 µm
Il y a beaucoup de place en bas…<br />
« Pourquoi ne pourrionsnous<br />
pas écrire l'intégralité<br />
des 24 volumes de<br />
l'encyclopédie Brittanica sur<br />
la tête d'une épingle »<br />
1959<br />
2000<br />
« Les principes de la physique, pour<br />
autant que nous puissions en juger, ne<br />
s'opposent pas à la possibilité de<br />
manipuler des choses atome par atome »<br />
1988
Toujours plus, toujours plus petit : la loi de Moore
Toujours moins cher<br />
Prix pour 1 000 000<br />
de transistors
Plan de la présentation<br />
Les nanotechnologies<br />
<strong>La</strong> <strong>spintronique</strong><br />
SPINTEC
L’électron a un spin<br />
Electron<br />
Charge électrique<br />
Moment magnétique<br />
Nouveaux degrés de<br />
libertés
Filtres à spins et GMR<br />
I<br />
I
Mémoires magnétiques<br />
1<br />
Faible résistance <br />
fort courant<br />
Forte résistance <br />
faible courant<br />
0
Capteur de champ magnétique<br />
R<br />
I<br />
Le courant I(V) est<br />
une mesure de<br />
l’orientation<br />
relative des<br />
aimantations des<br />
deux couches<br />
B<br />
-200 -100 0 100 200<br />
Champ magnétique
Capteurs magnétorésistifs<br />
• Ingénierie des couches magnétiques<br />
Une couche sensible au champ magnétique<br />
Une couche insensible au champ magnétique<br />
• Des couches très fines entre 0.8 et 5 nm<br />
• Lecture magnétorésistive<br />
• Ecriture magnétique
Prix Nobel 2007<br />
Albert Fert et Peter Grünberg ont reçu le prix Nobel 2007 de<br />
Physique pour leurs travaux sur la Magnétorésistance Géante.<br />
Découverte en 1988, cette innovation fait émerger un nouveau<br />
type d’électronique, appelé <strong>spintronique</strong>.
Il y en a partout…<br />
Position sensors and object detection systems<br />
A GMR sensor element is made up of thin<br />
stacked layers of alloy and conductive<br />
non-magnetic materials. When these<br />
materials are exposed to a magnetic field,<br />
there is a large drop in resistance. The<br />
sensor element utilizes this physical<br />
property to generate a signal that can be<br />
used to indicate the position of a<br />
magnetic target
Capteurs <strong>spintronique</strong>s<br />
Les capteurs GMR sont utilisés dans des applications telles que : <br />
• Détection de position sur des vérins pneumatiques <br />
• Détection de position en robotique<br />
• Mesure de vitesse et position de roulements à billes <br />
• Mesure de vitesse et position de rotor de moteurs électriques <br />
• Détection de champs magnétiques dans de l'appareil médical implanté <br />
• Mesure de vitesse de roue (ABS) <br />
• Chaîne cinématique de boîte de vitesse <br />
• Détection de billets de banque par mesure de l'encre magnétique <br />
• Mesure de courant sans contact dans des pistes de circuits imprimés <br />
• Détection de court circuit électrique (sur batterie par exemple) <br />
• Détection de véhicules (comptage de traffic routier) <br />
• Encodeurs magnétiques à haut niveau de sécurité <br />
• Boucle d'asservissement de systèmes d'absorpsion de chocs <br />
• Détection de champ magnétique terrestre (comptage de révolutions)<br />
74200 ALLINGES
Capteurs pour les systèmes antiblocage (ABS)<br />
• Gamme de champ : +/- 15 Oe<br />
• Gamme de température : -50°C / 200°C<br />
• Réponse linéaire<br />
• Faible consommation (1:100)
Enregistrement magnétique<br />
Densité d’enregistrement (Gbit/in 2 )<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0.1<br />
0.01<br />
0.001<br />
0.0001<br />
0.00001<br />
1 Tbit/in 2<br />
100 Gbit/in 2 25 years<br />
1 Gbit/in 2<br />
1 Mbit/in 2<br />
GMR<br />
discovery<br />
AMR<br />
implementation<br />
10 years<br />
TMR<br />
renaissance<br />
>10 7 × increase<br />
0.000001<br />
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010<br />
Year
Transfert de spin
Transfert de spin<br />
Magnétorésistance<br />
Manipulation<br />
d’un courant électrique<br />
par des couches<br />
magnétiques<br />
Transfert de spin<br />
Manipulation<br />
de couches magnétiques<br />
par un courant<br />
électrique
Plan de la présentation<br />
Les nanotechnologies<br />
<strong>La</strong> <strong>spintronique</strong><br />
SPINTEC
Spintec<br />
CNRS CEA/DSM<br />
Universités<br />
INPG<br />
LETI,<br />
Industries<br />
Recherche<br />
fondamentale<br />
Développent<br />
Intégration<br />
Spintronique et Technologie des Composants
Quelques chiffres<br />
% mondial de publications Nano par pays (2006)<br />
USA : 17,4%, Chine : 16,7%,<br />
Japon : 11,4%, Allemagne : 8,2%<br />
France : 6%<br />
% mondial de brevets Nano par pays (1996-2005)<br />
USA : 38,4%, Japon : 33,5%,<br />
Corée du Sud : 8,0%, Chine : 6,9%,<br />
Allemagne : 5,5%,<br />
France : 1,8%
SPINTEC<br />
Transport<br />
dépendant<br />
du spin<br />
Oscillateurs RF<br />
FM 1 / I / FM 2<br />
Parois de domaine<br />
Structures<br />
Pt/Co/Ox<br />
PI<br />
Elément Mémoire<br />
Mémoires<br />
Magnétiques
Mémoires magnétiques<br />
1<br />
Faible résistance <br />
fort courant<br />
Forte résistance <br />
faible courant<br />
0
Mémoires magnétiques<br />
1<br />
Faible résistance <br />
fort courant<br />
Forte résistance <br />
faible courant<br />
0
Effet tunnel magnétique<br />
MTJ<br />
FM 1<br />
I<br />
FM 2<br />
R ↑↓ >> R ↑↑
« 0 »<br />
« 1 »
« 1 »<br />
« 0 »<br />
Lecture
« 1 »<br />
« 0 »<br />
Ecriture
Marché potentiel<br />
50G$ par an
Verrou technologique
Innovation TAS-MRAM<br />
Δt = 176 picoseconde<br />
E = 27 picoJoule<br />
résistance<br />
100 picoseconde<br />
0 500 1000<br />
temps (picoseconde)
<strong>La</strong> création d’une startup<br />
Magnetic Tunnel junctions<br />
First concept of MRAM from<br />
Motorola and IBM<br />
Key patents SPINTEC<br />
Creation CROCUS<br />
VC funding<br />
Formation of NEXT consortium<br />
Demonstrator<br />
1995 1997<br />
2000<br />
2001 2004<br />
2006<br />
2008<br />
2010<br />
income ?<br />
30 M€
On est rarement seul…<br />
Prix pour 1 000 000<br />
de transistors<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
Phase change RAM<br />
MRAM<br />
Ferroelectric<br />
RAM<br />
~ 500 brevets/an<br />
0%<br />
1980 1990 2000 2010
Domaines applicatifs de la <strong>spintronique</strong><br />
Prix pour 1 000 000<br />
de transistors<br />
• Têtes de lecture de disque dur<br />
• Capteurs magnétiques<br />
• Mémoires magnétiques MRAM<br />
• Oscillateurs RF<br />
• Logique reprogrammable
Logique non volatile et/ou reprogrammable<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Twin MTJ<br />
Von Neumann architecture :
Toujours moins cher
Spintronique à Grenoble<br />
LIMN<br />
Prix pour 1 INAC/SP2M/NM<br />
000 000<br />
de transistors<br />
CROCUS<br />
Chercheurs 50<br />
Post-docs 10<br />
Thésards 25<br />
Institut Néel<br />
SPINTEC<br />
Publications 100 / year<br />
Brevets 15 / year
Merci de votre attention
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