Jonctions tunnels et premiers spectres de photoémission résolue en spin sur CASSIOPEE

Le stockage et la lecture de l’information font depuis plusieurs décennies appel aux propriétés magnétiques des matériaux. Les progrès réalisés dans ces domaines se traduisent notamment par la miniaturisation des ordinateurs, lecteurs audio et vidéo, etc, grâce à une capacité de stockage des disques durs qui a augmenté de façon plus qu’exponentielle depuis un demi siècle.
Combinant la mise en jeu des propriétés magnétiques et électroniques des matériaux, la spintronique a quant à elle trouvé des applications par exemple dans la conception de mémoires magnétiques non volatiles, c’est-à-dire capables de conserver l’information même sans alimentation électrique.

Les jonctions tunnel magnétiques font partie des dispositifs issus de la spintronique. Ce sont des vannes de spin dans lesquelles la couche non magnétique centrale a été remplacée par une couche isolante (ex : alumine). Le phénomène mis en jeu pour la traversée de la couche centrale par les électrons est, dans ce cas, quantique : c’est l’effet tunnel – également présent dans les microscopes du même nom – et l’amplitude de la magnétorésistance obtenue est alors supérieure à celle d’une vanne de spin.
La R&D dans ce domaine est très active et si, contrairement aux vannes de spin, les jonctions tunnels ne sont pour l’instant pas encore utilisées dans des produits commercialisés, ce n’est qu’une question de quelques années.

Au laboratoire de Physique des Matériaux de Nancy l’une des équipes, dont fait partie Stéphane Andrieu, travaille sur le nanomagnétisme et l’électronique de spin. Des recherches fondamentales et appliquées, notamment pour l’emploi des jonctions tunnel dans les « MRAM » (« Magnetic Random Access Memory », mémoire non volatile magnétique).
Ce groupe de Nancy s’intéresse plus précisément à l’utilisation de matériaux monocristallins pour les couches magnétiques ou isolantes des jonctions. Il a en effet été montré depuis le début des années 2000 que lorsque des monocristallins sont employés à la place des matériaux polycristallins, plus communément rencontrés jusqu’à présent dans ces multicouches, les propriétés de magnétorésistance pouvaient encore être améliorées : on passe de quelques dizaines de % de magnétorésistance dans le cas des vannes de spin composés de matériaux polycristallins – dispositifs présents dans les têtes de lecture des ordinateurs actuels – à 500% pour certaines jonctions tunnel avec des monocristaux !

L’étude de ces multicouches inclut des mesures de polarisation du système, une forte polarisation étant un paramètre nécessaire (mais ce n’est pas le seul) pour obtenir de forte magnétorésistance. Le rôle des symétries cristallines est aussi un facteur crucial. Ces symétries peuvent également être sélectionnées lors des mesures de photoémission résolue en spin sur CASSIOPEE, ce qui fait de cette ligne un outil extrêmement puissant pour ce type de thématique.

La fabrication de ces tricouches, très délicate, est maîtrisée par l’équipe du LPM depuis 2001, et la maîtrise de la lithographie sur ces tricouches depuis 2003. Ce système de jonction tunnel a attiré l’attention des scientifiques depuis cette période, du fait des forts pourcentages de magnétorésistance mesurés tout d’abord à THALES en 2001 (25%) puis à Nancy en 2003 (70%) et enfin aux USA, au Japon et à Nancy en 2004 (200%). La communauté française a donc eu un rôle précurseur sur ce sujet.

Stéphane Andrieu et Frédéric Bonell, doctorant, ont apporté leurs échantillons, des tricouches Fe/MgO/Fe(001) monocristallin - en attendant de pouvoir les fabriquer directement à SOLEIL, grâce à la chambre d’élaboration qui sera disponible à terme sur CASSIOPEE.
Les expériences menées à SOLEIL en octobre 2008 ont permis de confirmer l’intérêt que représente la station de spectrosocopie de photoémission résolue en spin de CASSIOPEE pour ce type d’étude. Après les échantillons de tricouche Fe/MgO/Fe(001), Stéphane Andrieu doit revenir avec d’autres jonctions tunnel, par exemple dans lesquelles des impuretés (ex : V) ont été ajoutées dans les couches magnétiques, toujours dans le but de comprendre les mécanismes conduisant à ces fortes magnétorésistances du système.

Une demande de temps de faisceau a par ailleurs été déposée par l’équipe du LPM, en collaboration avec des chercheurs de la société Hitachi, de façon à continuer ces recherches qui pourraient déboucher, dans moins d’une dizaine d’années, sur une application pour les têtes de lecture des disques durs d’ordinateur.

Spectres réalisés sur une couche épaisse de fer épitaxié couverte par deux plans atomiques de MgO (c’est-à-dire une bicouche Fe/MgO, les mesures ne se faisant pas directement sur la tricouche Fe/MgO/Fe(001)). L'échantillon présentait une aimantation rémanente selon l'axe horizontal dans le plan de la surface. Grâce à la géométrie du dispositif expérimental, il est possible d'enregistrer simultanément les polarisations en spin selon la normale à la surface et selon l'axe horizontal du plan de la surface.
Les spectres présentent deux régions distinctes: vers -5 eV se trouvent les états de valence du MgO et les états 3d du fer apparaissent autour de -1 eV, dans le gap du MgO.
Comme prévu, aucune polarisation en spin n'est observée le long de la normale à la surface alors que les états 3d du fer présentent une polarisation d'environ 45 % le long de l'axe d'aimantation.

 

Un électron possède une charge électrique, une masse, et une troisième propriété intrinsèque : le spin, qui correspond à un moment magnétique élémentaire et peut se trouver dans deux états, "up" ou "down".
Dans un matériau non magnétique (qu’il soit métallique, isolant ou semi-conducteur), le nombre d’électrons de spin up et de spin down est le même. Dans un matériau magnétique, par contre, le nombre d’électrons de spin up et de spin down est différent, et c’est justement cette différence qui est à l’origine du fait que ce matériau soit magnétique. Lorsque cette différence up/down est grande, on dit que la polarisation du matériau est forte.

Dans les métaux magnétiques usuels (fer, cobalt, nickel et leurs alliages), les électrons responsables du magnétisme sont les mêmes que ceux mis en jeu dans le transport électrique. Il résulte que le courant électrique circulant dans un matériau magnétique possède une polarisation en spin.

Les recherches menées par Albert Fert dans les années 70, portant sur le déplacement des électrons dans une couche ferromagnétique en fonction leur polarisation, ont montré que, selon que le sens du spin de l’électron correspond ou non à l'orientation magnétique de la couche, un électron passe ou non à travers cette couche.

Il est ainsi possible de fabriquer des « filtres » à électrons : une fine couche magnétique (de quelques nanomètres d’épaisseur) placée sur le trajet d’un courant d’électrons laissera passer principalement ceux dont le spin est parallèle à son aimantation, et bloquera majoritairement les autres.
En alternant 3 couches minces : ferromagnétique / non magnétique / ferromagnétique, on peut alors modifier la résistance au passage des électrons. Une résistance qui est fortement augmentée par exemple dans le cas de multicouches de type Fe/Cr/Fe, en appliquant un champ magnétique – c’est la magnétorésistance géante du Prix Nobel de Physique 2007.
Ces « sandwiches » à 3 couches sont appelés des vannes de spin.