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RÉSUMÉ
Les matériaux magnétiques ont par le passé révolutionné le stockage de l’information par l’intermédiaire des disques durs magnétiques. L’intérêt pour les matériaux magnétiques continue de croître, notamment à cause de la miniaturisation des dispositifs et de la quête des composants non volatils, robustes, compacts et économes en énergie. Dans cet article, les concepts de base des matériaux magnétiques sont passés en revue, de l’état massif aux nanostructures. Les propriétés statiques et dynamiques sont dressées, les mécanismes non conventionnels pour manipuler l’aimantation, tels que l’application d’un fort courant, sont explicités et le potentiel applicatif est indiqué.
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Hélène BEA : Enseignante-chercheuse - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, - Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), INAC-SPINTEC, - Grenoble, France
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Liliana D. BUDA-PREJBEANU : Enseignante-chercheuse - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, - Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), INAC-SPINTEC, - Grenoble, France
INTRODUCTION
Les matériaux magnétiques suscitent depuis longtemps un fort intérêt de par leurs multiples applications. À l’origine, les matériaux ferromagnétiques ont été utilisés principalement en électrotechnique en tant que source de champ magnétique ou comme élément de base des machines et dispositifs électriques (transformateurs, moteurs, composants inductifs pour l’électronique). Cependant, la conception de disques durs magnétiques a révolutionné le monde du stockage des données et orienté la recherche vers des systèmes magnétiques de plus en plus petits. Les propriétés des matériaux magnétiques sont intimement liées à leur taille. Les effets dus aux phénomènes d’interface et à l’association de divers matériaux permettent de modifier de manière importante le comportement magnétique de nanostructures.
Cet article insiste sur le rôle du confinement latéral et des interfaces avec d’autres matériaux sur les propriétés des systèmes ferromagnétiques. Il présente également leurs exploitations dans diverses applications allant de la technologie de l’information aux biotechnologies. La nanostructuration a permis également la mise en évidence de l’interaction mutuelle entre l’aimantation et le spin des électrons de conduction. Cette interaction est la base des phénomènes dits spintroniques qui ont rendu possible le contrôle de l’aimantation autrement que par l’intermédiaire d’un champ magnétique. Diverses manières non conventionnelles de manipuler l’aimantation sont présentées en s’appuyant sur l’équation de mouvement de l’aimantation.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1989 par Jean-Louis PORTESEIL
- Version archivée 2 de févr. 1998 par Jean-Pierre NOZIÈRES
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Ferromagnétisme de nanostructures
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1. Origine quantique du magnétisme
1.1 Moment magnétique
Le magnétisme des atomes résulte du mouvement des électrons qui induisent un moment magnétique dit orbital, associé à leur révolution autour du noyau, ainsi qu’un moment magnétique dit de spin, associé à leur rotation sur eux-mêmes . Le moment magnétique total est la combinaison vectorielle des moments orbitaux et de spin. L’ordre de grandeur du moment magnétique atomique est le magnéton de Bohr, défini par :
avec :
- e :
- charge de l’électron (−1,6.10–19 C),
- h :
- constante de Planck (6,63.10–34J.s),
- m :
- masse de l’électron (9,11.10–31 kg).
Pour un atome isolé, la combinaison des moments orbitaux et des moments de spin des différents électrons obéit aux règles de Hund : l’état de plus basse énergie correspond à celui ou ceux où le moment de spin est maximal, et parmi ceux-ci, où le moment orbital est maximal.
Le moment magnétique total d’un échantillon s’exprime en A.m2. La densité volumique de moment magnétique, également appelée aimantation, est la grandeur intensive utilisée pour caractériser les propriétés d’un matériau. Elle s’exprime en A.m−1.
Lorsqu’un champ magnétique est appliqué sur la matière, les nuages électroniques sont déformés pour compenser l’effet de ce champ, en suivant la loi de Lenz :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DU TREMOLET DE LACHEISSERIE (E.) - Magnétisme-Fondements. - EDP Sciences (1999).
-
(2) - OHNO (H.) - Making Semiconductors Ferromagnetic. - Science, 281, p 951 (1998).
-
(3) - JUNGWIRTH (T.), SINOVA (J.), MAŠEK (J.), KUČERA (J.), MACDONALD (A.H.) - Theory of ferromagnetic (III, Mn)V semiconductors. - Rev. Mod. Phys. 78, 809 (2006).
-
(4) - GRADMANN (U.) - Magnetism in ultrathin transition metal films. - in K.H.J.Buschow (Ed.), Handbook of magnetic materials, vol 7, Elsevier Science Publishers B.V., North Holland, Ch1, pp 1-96 (1993).
-
(5) - THIAVILLE (A.), ROHART (S.), JUÉ (E.), CROS (V.), FERT (A.) - Dynamics of Dzyaloshinskii domain walls in ultrathin magnetic films Europhys. - Lett. 100, 57 002 (2012).
-
(6) - AHARONI (A.) - Introduction...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Journée de la Matière Condensée, Grenoble, 27-31 Août 2018
( https://jmc2018.sciencesconf.org)
Colloque Louis Néel, 14-17 Mai 2019, Toulouse
( https://www.sciencesconf.org/browse/conference/?confid=5388)
HAUT DE PAGE
Plus de 4 500 brevets existent sur les MRAMs, en voici quelques exemples :
-
High speed magneto-resistive random access memory, J.C. Wu, H.L. Stadler, R.R. Katti, US5173873 (1992) ;
-
Magnetic memory with a thermally assisted writing procedure, J.P. Nozières, I.L.Prejbeanu, TW200937415 (2009) ;
-
Magnetic memory device, C. Heide, US6639830 (2003) ;
-
Self-referenced Memory device and method for operating the memory device, S. Bandiera, US2016232958 (2016) Magnetic racetrack memory device, J.P. Moriya, S. Parkin, L. Thomas, US7626844, (2011) ;
-
Non-volatile magnetic memory cell and devices, A. Gupta, R.V. Rajiv, US6034887 (2000).
D’autres...
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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