Étude statique du renversement de l’aimantation par un courant

Historiquement, les premières mesures liées à l’étude du transfert de spin ont été réali- sées sur des échantillons de type GMR. Ce n’est que plus récemment, avec l’amélioration des procédés de micro-fabrication et l’introduction de nouveaux matériaux pour les bar- rières tunnel, comme le MgO, que ces résultats ont été reportés sur des JTM.

Ainsi, une des premières mise en évidence expérimentale incontestable de l’effet de transfert de spin a été réalisée à l’université de Cornell sur des échantillons Co/Cu/Co fabriqués à IBM en 2000 [36]. Cette étude a montré qu’il est possible de faire commuter l’aimantation d’un dispositif de type GMR sans appliquer de champ comme le montre la figure 1.14. Ces résultats ont été mis par la suite en évidence par d’autre groupes, notam- ment le groupe de l’UMR Thalès (cf figure 1.14) [37]. Les sauts de résistance entre l’état haut et l’état bas qui apparaissent dans la courbe de magnétorésistance (MR) de la figure 1.14, ne peuvent être expliqués que par l’effet de transfert de spin en raison des symétries. Les dimensions de l’échantillon étant de 200x600 nm2_{, la densité de courant critique est}

de l’ordre de 1, 25 107 _A/cm2_{, ce qui est en accord avec les prédictions théoriques. Il est}

intéressant de noter que l’allure générale des courbes R(I) est parabolique. Cela provient du fait que pour l’étude de la commutation de l’aimantation par transfert de spin il est nécessaire d’injecter de fortes densités de courant, ce qui entraîne une élévation de la température dans le pilier.

Figure. 1.14 – Mesure de MR à courant variable, sans champ appliqué réalisée sur des échantillons Cu 20 nm/Co 15 nm/Cu 10 nm/Co 25 nm/Cu 20 nm [37]. On peut remarquer un saut de l’état parallèle à l’état antiparallèle à −15 mA et inversement un saut de l’état antiparallèle à l’état parallèle pour un courant de 15 mA. Ce résultat ne peut être expliqué que par l’effet de transfert de spin.

construire un diagramme de phase expérimental. La figure 1.15 représente le diagramme de phase obtenu sur des échantillons mesurés à Spintec similaires aux échantillons utilisés dans les mesures présentées précédemment.

Figure. 1.15 –Diagramme de phase statique mesurée au laboratoire Spintec sur des GMR [38]. Les encarts représentent des courbes de MR en champ à courant fixe correspondant à un parcourt horizontal du diagramme de phase ci-dessus et des MR en courant à champ fixe correspondant à un parcourt vertical du diagramme de phase

obtenus sur des JTM du fait que les fortes densités de courant nécessaires pour entraîner le renversement de l’aimantation imposent d’appliquer des tensions proches de la tension de claquage de la barrière [39]. Les deux courbes du bas de la figure 1.16 sont des courbes

Figure. 1.16 –En partant du haut vers le bas : courbes de MR en fonction du champ mesurée à 77 K sur un échantillon de surface 40x130 nm2(échantillon 1) : à gauche cycle majeur, à droite cycle mineur de la couche libre. Courbe de MR en fonction du courant mesuré à 77 K sur l’échantillon 1 pour un champ appliqué compensant le champ dipolaire rayonné par la couche piégée. Courbe de MR en fonction du courant mesuré à 77 K sur un échantillon de surface 25x112 nm2 _{(échantillon 2) pour un champ}

appliqué compensant le champ dipolaire rayonné par la couche piégée. Les flèches en gras à −0, 4 mA et 0, 4 mA indiquent le renversement de l’aimantation de la couche libre. En encart est représenté le cycle mineur de la couche libre de l’échantillon 2. Ces résultats sont extraits de la référence [39].

et al. [39], sur des échantillons dont la composition est la suivante (les épaisseurs sont

en nm) : Py 4/Cu 80/Ta 10/CoFeB 8/AlOx 0,65 /CoFeB 2/Cu 5/Pt 30. La courbe

du milieu correspond à un échantillon de surface 40x130 nm2 _{(échantillon 1), celle du}

bas à un échantillon de surface 25x112 nm2 _{(échantillon 2). Avant de commenter le}

renversement de l’aimantation par l’effet de transfert de spin, intéressons nous à l’allure générale des courbes dV /dI. La diminution de la résistance dynamique que ce soit dans l’état parallèle ou antiparallèle traduit l’augmentation de conductance tunnel lorsque la tension de polarisation de la barrière augmente. Cette augmentation de la conductance est en partie indépendante du fait que les électrodes sont magnétiques. En effet pour une jonction tunnel métal-isolant-métal, le fait d’augmenter la polarisation permet de faire passer des électrons avec un vecteur d’onde transverse de plus en plus grand. En revanche nous pouvons voir sur la figure du bas qu’à partir d’environ ±3 mA il n’y a plus de différence de conductance entre les configurations parallèle et antiparallèle ce qui traduit la chute de magnétorésistance tunnel présentée à la section 1.1.5. Sur la courbe correspondant à l’échantillon 2 (graphique du bas de la figure 1.16), la TMR disparaît complètement avant le renversement de l’aimantation qui est indiqué par les flèches en gras. Par cette expérience, on constate que malgré l’annulation de la TMR il peut y avoir du transfert de spin. Du fait de la symétrie en courant du renversement de l’aimantation, le modèle développé par Slonczewki [28] et présenté à la section 1.2.4.2 ne permet pas d’expliquer ce résultat. En revanche un modèle développé par M. Levy et A. Fert [32] semble pouvoir l’expliquer par l’intermédiaire des ondes de spin crées par les électrons. D’après ce modèle, les ondes spin cohérentes contribuent au couple de transfert de spin. Il faut noter toutefois que ces résultats sont à priori hors du domaine de validité de ces deux modèles qui supposent une barrière pas ou peu déformé, donc une conductance tunnel qui varie peu.

1.3.5

Étude dynamique du renversement de l’aimantation par