L'électronique de spin.

La distinction entre l'électronique classique et l'électronique de spin.
Dans l'électronique classique, c'est la charge de l'électron qui intervient. On exerce une force sur la charge pour déplacer les électrons.
L'électronique de spin agit sur le spin, que l'on peut assimiler au moment magnétique de l'électron. Une couche mince magnétique aura tous ses électrons de même spin et ne laissera passer que des électrons de spin identique. L'électronique de spin a été rendue possible par les nanotechnologies. Il faut pouvoir fabriquer des nanostructures magnétiques, couches ultraminces, épaisses de quelques atomes.

La magnétorésistance géante ou GMR (Giant magnetoresistance).

La GMR a été mise en évidence en 1988 par des expériences d'Albert Fert. On considère des multicouches magnétiques, c'est à dire des alternances couche magnétique (par exemple fer) / couche non magnétique (par exemple chrome). Les couches n'ont que quelques atomes d'épaisseur (trois par exemple). On constate une forte variation de la résistance électrique quand on passe d'une configuration d'aimantation parallèle à une configuration antiparallèle.
Les applications.
La première application (1993) a concerné des capteurs magnétiques pour l'automobile.
Un peu plus tard (1996), la GMR a été utilisée dans les têtes de lecture des disques durs d'ordinateurs. La grande sensibilité de détection d'inversion de champ magnétique a permis d'augmenter la densité de stockage d'informations. L'évolution est spectaculaire : en 1996 on stocke 1 Gbit/pouce2 et en 2003, 120 Gbits/pouce2. Aujourd'hui tous les disques durs sont basés sur le principe de la GMR.
Principe physique.
La GNIR est basée sur des effets de spin. En présence d'un champ magnétique, le spin d'un électron a deux états d'orientation possibles. Un électron traversera facilement une couche mince ferromagnétique si son spin est de même sens que celui des électrons de la couche. Il sera ralenti ou même bloqué dans le cas contraire. Deux couches d'aimantation parallèle vont laisser passer la moitié de la population des électrons (ceux qui ont un spin de même sens que celui des couches). Si l'aimantation des deux couches est antiparallèle, tous les électrons seront bloqués.

La magnétorésistance tunnel.
On a cette fois-ci deux couches ferromagnétiques séparées non plus par un conducteur mais par un isolant. La conduction a alors lieu par effet tunnel. De même que pour la GMR, la résistance électrique varie selon que la configuration de l'aimantation des deux couches est parallèle ou antiparallèle. Un des avantages par rapport à la GMR est que les couches peuvent être plus minces et donc les dispositifs plus miniaturisés.
La principale application concerne une nouvelle génération de mémoires RAM, les MRAM (Magnetic RAM). Les MRAM auraient des performances identiques aux RAM classiques à base de semi-conducteurs avec l'immense avantage d'être non volatiles.

Autres effet d'électronique de spin.

Albert Fert présente trois domaines de recherche :
Renversement d'aimantation par injection de spin.
Dans une mémoire MRAM, l'écriture est réalisée en renversant l'aimantation d'une couche par application d'un champ magnétique extérieur, ce qui présente divers problèmes comme le cross-talk (on risque de modifier en même temps l'aimantation des cellules mémoires voisines).
Une autre solution consiste à renverser la direction du champ magnétique par injection d'un courant de spin. C'est un peu le contraire du phénomène de GMR.
Effet de spin dans les semi-conducteurs.
Tous les effets décrits jusqu'ici ont lieu dans des matériaux conducteurs ou isolants. Les semi-conducteurs étant les matériaux par excellence pour l'électronique, de nombreuses recherches ont lieu pour tenter d'utiliser les courants polarisés en spin dans ces semi-conducteurs. On étudie des structures hybrides matériau semi-conducteur/matériau magnétique.

Conclusions.

• Quelques idées générales sur la recherche : L'importance de la recherche fondamentale.
• Les relations recherche universitaire-industrie.
• Les nanosciences au quotidien.