Magnétorésistance géante (GMR) — principe, histoire et applications
La magnétorésistance géante est un phénomène de variation de résistance électrique lié au spin des électrons dans des multicouches magnétiques. Découverte à la fin des années 1980, elle a révolutionné l'électronique de stockage.
Présentation
La magnétorésistance géante (GMR) décrit une variation importante de la résistance électrique d'un empilement de couches minces ferromagnétiques séparées par des couches non magnétiques, lorsque l'orientation relative des aimantations change sous l'effet d'un champ magnétique. Le phénomène résulte de la dépendance du transport électrique au spin des électrons : les électrons de spin opposé diffusent différemment, ce qui modifie la conductance globale du système.
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Mécanismes et architectures
Deux architectures principales illustrent la GMR. Dans les multicouches (alternance fer/non-fer), l'accouplement d'échange entre couches peut favoriser un alignement antiparallèle à faible champ, d'où une résistance élevée. L'application d'un champ magnétique aligne les couches, réduisant la diffusion spin-dépendante et la résistance. Dans la configuration dite "spin-valve", une couche fixe sert de référence tandis qu'une couche libre change d'orientation sous champ externe, offrant un signal exploitable dans des capteurs.
- Multicouches : alternance de couches ferromagnétiques et non magnétiques.
- Spin-valves : structure trilayer avec une couche fixée et une couche libre.
Histoire et reconnaissance
La GMR a été découverte de manière indépendante à la fin des années 1980 par des équipes dirigées par Albert Fert et Peter Grünberg. Leur travail a ouvert la voie à la discipline du spintronique et a été récompensé par le prix Nobel de physique en 2007. Cette découverte a rapidement trouvé des applications industrielles grâce aux progrès dans la fabrication de couches minces et le contrôle des interfaces.
Applications et importance
L'application la plus connue de la GMR est la tête de lecture magnétique des disques durs, qui a permis d'augmenter fortement la densité de stockage à partir des années 1990. D'autres usages incluent des capteurs magnétiques haute-sensibilité pour l'automobile et l'industrie, ainsi que des composants pour la mémoire magnétique non volatile (MRAM). La GMR a aussi servi de fondement pour le développement ultérieur de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) et d'autres technologies spintroniques.
Distinctions et faits remarquables
La GMR se distingue de l'anisotropie de magnétorésistance (AMR) par un changement de résistance généralement bien plus marqué et d'un mécanisme centré sur le spin plutôt que sur l'orientation relative courant-champ. Elle est différente également de la magnétorésistance colossale (CMR) observée dans certains oxydes. Par son impact technologique et conceptuel, la GMR demeure un jalon majeur entre physique fondamentale et applications industrielles.
Découverte
Le GMR a été découvert dans des couches de fer, de chrome et de ferrite par l'équipe de recherche de Peter Grünbergs du centre de recherche de Jülich (Allemagne) en 1988. Peter Grünberg détient un brevet pour cette technologie. Il a également été découvert par le groupe de recherche Albert Ferts de l'Université de Paris-Sud (France) dans des couches de ferrite et de chrome. Le groupe Fert a été le premier à voir ce qu'il considérait comme un grand effet, c'est pourquoi il a donné le nom de "Géant". Le groupe Fert a également été le premier à expliquer la physique correcte de la RMG. Cette découverte a été le début de la science spintronique. Grünberg et Fert ont reçu des prix et des récompenses, dont le prix Nobel de physique 2007, pour cette découverte et d'autres travaux sur la spintronique.
Types de GMR
Le GMR multicouches
Dans la RMG multicouche, deux ou plusieurs couches magnétiques sont séparées par une très fine (environ 1 nm) couche non magnétique (isolante). La ferrite, une forme de fer, est une couche magnétique et le chrome est une couche isolante. À partir d'une certaine épaisseur, la force du magnétisme entre les couches devient facile à mesurer et à ajuster. L'intensité du courant électrique entre les couches peut varier jusqu'à 10 %.
L'effet de RGM a été observé pour la première fois dans des piles de 10 couches ou plus.
Spin valve GMR
Dans la RMG à vanne de spin, deux couches magnétiques sont séparées par une fine couche (isolante) non magnétique (~3 nm). Il est possible de mesurer et d'ajuster la force du magnétisme entre ces couches.
On espère que la recherche sur la rotation des électrons permettra d'améliorer les valves de rotation.
Les matériaux utilisés dans les vannes de rotation sont le cuivre et un alliage de nickel et de fer.
La Spin valve GMR est la plus utile pour les disques durs et est testée avec soin pour répondre aux normes de l'industrie.
RGM granulaire
La RGM granulaire est un effet que l'on trouve dans les grains de cuivre contenant du cobalt. Il n'est pas possible de contrôler la force du GMR granulaire de la même manière que le GMR multicouche.
Utilisation du GMR
Le GMR est utilisé dans les disques durs et les capteurs magnétiques modernes. L'effet GMR est également utilisé dans les mémoires magnétorésistives à accès aléatoire (MRAM). Le GMR a donné naissance à une nouvelle science de l'électronique appelée spintronique.
Pages connexes
- Disque dur
- Magnet
- Mécanique quantique
Questions et réponses
Q : Qu'est-ce que la magnétorésistance géante (GMR) ?
R : La GMR est un petit effet magnétique que l'on trouve dans les fines couches de fer et d'autres matériaux et qui est utilisé pour lire et écrire des informations dans les disques durs.
Q : Comment mesure-t-on l'effet GMR ?
R : L'effet GMR peut être mesuré lorsqu'un aimant est utilisé pour modifier le flux d'électricité.
Q : Qui a reçu le prix Nobel de physique 2007 pour la découverte de la GMR ?
R : Albert Fert et Peter Grünberg ont reçu le prix Nobel de physique 2007 pour la découverte de la GMR.
Q : Quelle est l'importance de l'effet GMR ?
R : L'effet GMR est important pour le fonctionnement des disques durs et est utilisé pour la lecture et l'écriture d'informations.
Q : Dans quels matériaux peut-on trouver l'effet GMR ?
R : L'effet GMR est présent dans de fines couches de fer et d'autres matériaux.
Q : L'effet GMR est-il visible à l'œil nu ?
R : Non, l'effet GMR est très petit et ne peut pas être vu à l'œil nu.
Q : Quelle est l'importance de la découverte de la GMR ?
R : La découverte de la GMR a été suffisamment importante pour justifier l'attribution d'un prix Nobel de physique, car elle a d'importantes applications pratiques dans la technologie des disques durs.
Articles liés
Auteur
AlegsaOnline.com Magnétorésistance géante (GMR) — principe, histoire et applications Leandro Alegsa
URL: https://fr.alegsaonline.com/art/38710
Sources
- link.aps.org : "Magnetic properties of superlattices formed from ferromagnetic and antiferromagnetic materials"
- doi.org : 10.1103/PhysRevB.33.3329
- link.aps.org : "Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers"
- doi.org : 10.1103/PhysRevLett.57.2442
- link.aps.org : "Antiparallel coupling between Fe layers separated by a Cr interlayer: Dependence of the magnetization on the film thickness"
- doi.org : 10.1103/PhysRevB.36.2433
- link.aps.org : "Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices"
- doi.org : 10.1103/PhysRevLett.61.2472
- link.aps.org : "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange"
- doi.org : 10.1103/PhysRevB.39.4828
- link.aps.org : "Giant magnetoresistance in heterogeneous Cu-Co alloys"
- doi.org : 10.1103/PhysRevLett.68.3745
- link.aps.org : "Giant magnetoresistance in nonmultilayer magnetic systems"
- doi.org : 10.1103/PhysRevLett.68.3749
- doi.org : 10.1016/j.jmmm.2006.10.679