Analyses expérimentales et théoriques des mécanismes de magnétorésistance tunnel anisotrope – ETAM TAMR

La Magnétorésistance Géante (GMR) et la Magnétorésistance Tunnel (TMR) sont les deux effets les plus importants utilisés en électronique de spin, qui est le domaine de l'électronique qui exploite le spin des électrons. Une contrainte commune à la GMR et à la TMR est le besoin de disposer de deux électrodes magnétiques dont les orientations doivent être contrôlées indépendamment pour obtenir alternativement la configuration à aimantations parallèles et celle à aimantations anti-parallèles. L'amplitude de magnétorésistance plus élevée obtenue généralement dans une structure TMR par rapport à une structure GMR est liée à la dépendance du mécanisme tunnel. Celui-ci fait intervenir les fonctions d'onde électroniques des électrodes et plus particulièrement leur hybridation avec la barrière isolante, ce qui entraine une sélection des états capables de tunneler (phénomène de filtrage en spin des ondes évanescentes). On peut alors imaginer un nouveau type de dispositifs pour lequel la variation de la résistance tunnel est liée à la modification des fonctions d'ondes électroniques « tunnel » lors de la rotation du moment magnétique de l'électrode, cette modification étant une conséquence du couplage spin-orbite. Ce phénomène est la magnétorésistance tunnel anisotrope (TAMR).
La TAMR ne nécessite qu'une électrode magnétique. Ceci ouvre la voie à l'exploration de nouveaux matériaux pour les dispositifs d'électronique de spin. Le premier objectif général de ETAM TAMR est d'améliorer la compréhension de la TAMR. Un des points-clé à traiter
est la comparaison des effets TAMR non-cristallin (l'effet dépend alors de l'orientation des moments par rapport au courant, indépendamment des directions cristallographiques) et TAMR cristallin (qui lui dépend de l'orientation relative des moments et/ou du courant par rapport aux directions cristallographiques). Une étude systématique expérimentale sera lancée sur des films de matériaux modéles FePt et CoPt. Les dépendances angulaires et en température seront soigneusement déterminées. On considérera aussi la dépendance de la TAMR vis à vis de la nature de la barrière tunnel isolante. Les résultats expérimentaux seront comparés à des prédictions théoriques basées sur des calculs ab-initio de structure électronique utilisant l'approximation des liaisons fortes et du transport dans l'approche de Landauer-Büttiker. Des modèles théoriques permettront en parallèle de tester indépendamment les paramètres microscopiques.
Le second objectif général de ETAM TAMR est d'inventer des systèmes pour lesquels l'effet TAMR reste grand à température ambiante. Plusieurs pistes originales seront explorées : des structures TAMR à base de composés intermétalliques à forte anisotropie magnétique (NdCo5) seront élaborées ainsi que des structures à base d'antiferromagnétiques à haute température de Néel (MnPt, MnPd3). A l'inverse de la GMR et de la TMR, la TAMR n'impose pas que l'électrode soit ferromagnétique.
Ce projet associe deux équipes françaises, P1 (CNRS-Néel) et P2 (INAC-CEA) et deux équipes brésiliennes, P3 (IF-UFRJ Rio) and P4 (CDTN, Belo Horizonte).
Ces groupes ont déja développé des collaborations fructueuses et, de plus, ils regroupent les compétences complémentaires nécessaires pour progresser sur cette nouvelle thématique : croissance des alliages L10 et L11 (P2), épitaxie d'antiferromagnétiques à base de Mn (P4), alliages électrodéposés (P3), croissance de barrières (P1 et P2), études par rayons X sur synchrotron (P1 et P4), caractérisations fines (magnétiques et électriques) (P1 et P3), calculs sur modèles (P1) et calculs ab-initio de structures électroniques (P3).
LA TAMR est un effet magnétorésistif qui pourrait donner naissance à des dispostifs d'électronique de spin. Tout nouveau développement dans une thématique aussi prometteuse doit se faire calmement, et il est bien sur difficile à l'heure actuelle de prédire son impact en électronique de spin.