Difficile de trouver des informations sur la magnétoresistance géante. Petite tentative d’explication.

D’abord c’est quoi la magnétoresistance ?

La magnétoresistance est un phénomène physique découvert en 1857 par William Thomson (plus connu par des générations d’étudiants sous le patronyme de Lord Kelvin). Considérons un conducteur dans lequel circule un courant électrique (par exemple un câble d’alimentation quelconque). Lord Kelvin s’est aperçu que lorsque ce conducteur est soumis à un champ magnétique – par exemple si on approche un gros aimant-, le courant circule moins bien dans le câble : la resistance électrique augmente.

C’est bizarre, non ? A quoi est-ce dû ?

Un phénomène physique appelé interaction spin-orbite. C’est un peu compliqué à expliquer, mais en gros les électrons (qui sont les particules transportant la charge électrique dans le courant électrique) se comportent comme de petits aimants (en terme scientifiques, ils possèdent un spin). Le champ magnétique qu’on applique sur le conducteur va alors interagir avec ces électrons et modifier leur mouvement.

C’est génial ! Est-ce que je peux couper le courant avec le gros aimant ?

Oui et non. Cet effet de magnétoresistance, qu’on appelle “ordinaire”, est en fait très faible. La resistance électrique ne change en réalité que de quelques pour cent. Cela a suscité néanmoins de nombreuses applications industrielles.

Comme la fabrication de disques durs ?

Exactement. Un disque dur, c’est en fait une collection de tout petits aimants côte à côte. Les têtes de lectures des disques durs sont en gros des petits câbles électriques dans lesquels passent du courant. Lorsque les têtes de lecture passent au-dessus du disque dur, le champ magnétique local du disque dur modifie la resistance du petit câble et donc modifie le courant. Si on additionne l’effet de plein de petits aimants, chacun modifiant la resistance de quelques pour cents, on peut arriver à diminuer le courant électrique dans la tête de lecture de façon notable. Si les aimants du disque dur sont dans le bon sens par rapport au courant électrique, le courant passe et on peut encoder un “1″. Si les aimants du disque dur sont dans le sens opposé, ils permettent d’atténuer suffisamment le courant et donc d’encoder un “0″.

Cependant, du fait de la faiblesse de l’effet de magnetoresistance ordinaire, il faut beaucoup d’aimants pour encoder un seul bit, d’où de gros disques durs contenant peu de données. On est arrivé relativement vite aux limites physiques du phénomène. En 1988, un traité sur le sujet décrivait les perspectives du secteur en ces termes :

Plus de vingt ans de recherche et développement ont permis de mettre au point des capteurs magnetoresistants. On peut cependant douter que les couches magnetoresistantes elles-mêmes soient significativement améliorées dans les années à venir.

Entrent en jeu Fert et Grünberg …

Exact. Mais remontons un peu en arrière. Dans les années 70, Fert s’était déjà intéressé aux propriétés conductrices des alliages de matériaux magnétiques. Au milieu des années 80, il se penche sur les propriétés conductrices, non plus d’alliages, mais de successions de couches de matériaux magnétiques, chaque couche étant orientée magnétiquement. Il découvre un effet qu’on appelle scattering spin dépendant (en bon franglais), illustré sur la figure ci-contre.

Soit une alternance de couches magnétiques (en rouge), orientées magnétiquement (flèches blanches). Arrive un électron, avec sa propre orientation magnétique (spin – flèche noire). Si les couches magnétiques sont orientées dans le même sens (parallèlement – P- figure du haut ), seuls les électrons avec le spin dans la même direction passent. Cela fait quand même en gros la moitié des électrons ! Au contraire, si les couches sont orientées dans des directions différentes (anti-parallèlement- AP- figure du bas) tous les électrons finissent toujours par buter sur une des couches et aucun courant ne passe. On a alors une resistance très importante, du fait de l’alternance de ces couches magnétiques.

Tout le problème technologique consistait à trouver un moyen de passer facilement dans un matériau de la configuration P à la configuration AP. En 86, Grünberg découvre que certains matériaux, sous l’influence d’un champ magnétique, s’ordonnent dans la configuration AP. Ceci ouvre la porte à la publication majeure de Fert sur le sujet (citées plusieurs milliers de fois) : une alternance de couche de Fe et de Cr peut passer de la configuration P à AP sous l’influence d’un champ magnétique. Comme la resistance dépend de la configuration (P ou AP) et que cette configuration dépend du champ magnétique appliqué, on produit un effet de magnétoresistance. Qui plus est, cette magnétoresistance peut être qualifiée de “géante”, puisque la resistance change de 50% (contre quelques pour cents pour la magnetoresistance ordinaire). Grünberg découvre le même effet indépendamment quasiment au même moment.

Concrètement, quelle est l’influence sur les disques durs ?

L’application de la magnétoresistance géante permet de gagner des ordres de grandeurs en capacité de stockage. Pour une même aimantation sur le disque dur, on passe d’une resistance modifiée de quelques pour cents à une resistance modifiée de 50%. Du coup,  on peut avoir une tête de lecture (contenant maintenant une magnétoresistance géante) beaucoup plus petite, donc stocker plus de données sur le disque. Au final, on a eu explosion des capacités des disques durs.

Et c’est quoi cette histoire de brevet ?

Si Fert avait proposé la bonne explication théorique dans son papier de 88, c’est Grünberg qui a réalisé l’intérêt technologique immédiat et qui a déposé le brevet sur les applications technologiques dès 88. En 2001, les frais pour l’utilisation de cette licence représentaient au total 10.5 millions de dollars.

Et c’est quoi la “spintronique” ?

C’est la contraction d”‘électronique de spin”. Il s’agit juste de la construction de procédés (comme la magnetoresistance géante) où le spin de l’électron joue un rôle essentiel sur son transport (dans le courant électrique).

Et pour finir ?

C’est une belle histoire, non ? C’est d’abord une recherche très fondamentale commencée dans les années 70, sans intérêt technologique immédiat et avec une forte composante théorique -il y a beaucoup de physique quantique là-dessous que seuls les spécialistes comprennent vraiment. C’est aussi une jolie illustration d’approches “parallèles” pour résoudre un problème ardu : on n’a jamais réussi à améliorer les magnétoresistances ordinaires et il fallait étudier des alliages, puis des couches de matériaux successives pour découvrir l’effet. Et puis, il fallait un excellent chercheur, à la fois astucieux expérimentalement, bien au fait des problèmes technologiques et bien aidé localement pour développer le brevet…

Référence :

FAQ largement inspirée de cet excellent document anonyme trouvé sur le web :

http://w3.rz-berlin.mpg.de/~michaeli/member/MaterialsScienceLectures/GMR-2.pdf

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