Presentation Prix Nobel 2007 sur la magnétorésistance gigantesque
La magnétorésistance géante et son application aux disques durs
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La magnétorésistance géante et son application aux disques durs
R. LardéMaître de Conférences
Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634Université de Rouen
I- Histoire de l’enregistrement magnétique
II- La magnétorésistance géante
III- Magnétorésistance et disques durs
PLAN DE L’EXPOSÉ
A. Fert P. Grünberg
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
IHISTOIRE
DE L’ENREGISTREMENT MAGNETIQUE
1898 : Poulsen (1869-1942) Le télégraphone
Enregistrement magnétique de la voix
Fils d’acier (corde à piano)=1mm
Electro-aimant
1880: Oberlin Smith Principes théoriques de l’enregistrement magnétique
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
1928 : La bande magnétique : une bande de papier "Kraft" revêtue d'une mince couche de fer.
1935 - 40: Le magnétophone à lampe amplificatrice (conception allemande)
Magnétophone à bande Magnétophone à fil
Jusqu’à 1950, l’enregistrement magnétique est dédié à l’enregistrement du son
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
1956 : Le 1er disque dur
IBM : Le RAMAC 305
50 disques en aluminium recouverts d’une couche magnétique (= 61 cm)
1200 tours par minute
Capacité : 5 Mo
Taux de transfert : 8Ko/s
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
-Un seul bras de tête pour 50 plateaux
Tête de lecture/écriture
-Tête pressurisée (distance disque-tête : 20 m)
Pas de frottements
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
L’ordinateur de bureau est un peu encombrant..…
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
1962 : Le RAMAC 1301
Disques en aluminium recouverts d’une couche magnétique (= 61 cm)
1800 tours par minute
Capacité : 28 Mo
Taux de transfert : 80Ko/s
Distance disques-têtes : 6 m
Bras de têtes(peigne)
- Chaque plateau possède un bras
- Technologie des têtes volantes
réduction des temps d’accès
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
Le premier disque dur amovible (1962)
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
1973 : Le Winchester 3303 (IBM) Ancêtre direct des disques durs modernes
Boîtier compact contenant les plateaux, les têtes et
l’électronique.
Capacité 30Mo
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
2007 - Le prix Nobel de Physique
A. Fert (1938) P. Grünberg (1939)
Découverte de la magnétorésistance géante en 1988Naissance de l’électronique de spin
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
Effet de magnétorésistance géante
Application quasi-immédiate :
Têtes de lecture ultra sensibles pour disques durs
Augmention spectaculaire de la densité de stockage et réduction de la taille des systèmes
I – Histoire de l’enregistrement magnétique
II– La magnétorésistance géante
II
LA MAGNETORESISTANCE GEANTE
Le champ magnétique perturbe la diffusion des électrons au sein du matériau
Augmentation ou diminution de la résistance électrique
Perturbations de natures différentes
4 types de magnétorésistances
Ordinaire Anisotrope
Diffusion dépendante du spin Force de Lorentz couplage spin orbite
Forte diminution de R quand H augmente
TunnelGéante
Magnétorésistance : Variation de la résistance électrique d’un matériau provoquée par l’application d’un champ magnétique.
II– La magnétorésistance géante
Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons
Conduction électrique dans les métaux
e-
e-
spin +1/2 "up"
spin -1/2 "down"
2 types d’électrons
Constitution d’un atome
II– La magnétorésistance géante
Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons
Matériau conducteurI
Vibrations des atomes(agitation thermique)
Perturbation de la trajectoire des électrons (diffusion)
Résistance électrique
I
Trajectoires électroniques
Atomes
électrons
Matériaux conducteurs
(ex: Cu,Ag, Cr…)
II– La magnétorésistance géante
Matériaux conducteurs ferromagnétiques
Matériau ferromagnétiqueI I
(ex: Fe, Co, Ni)
Moment magnétique
N
S
AimantAtome (ex :Fe, Co, Ni)
Vibrations des atomes + Interaction magnétique (agitation thermique) (diffusion dépendante du spin électronique)
atomesélectrons
Résistance électrique
II– La magnétorésistance géante
Découverte de la magnétorésistance géante dans un matériau multicouches Fe/Cr: empilement de couches magnétiques de Fe et de couches non magnétiques de Cr
I
H
R
I
Diminution de R quand H augmente
Baibich et al, Phys. Rev. Lett. 61 (1988)
Résistance électrique en fonction du champ magnétique
)(
)(
0R
HR
-50%
II– La magnétorésistance géante
Fe
Cr
Fe
Cr
Cr
3 nm
0,9 nm
NS
SN
Multicouches magnétorésistives : mécanisme de diffusion dépendante du
spin
Modèle de Mott : modèle à 2 courants
Conduction par deux canaux indépendants d’électrons
e- spin up e- spin down
II– La magnétorésistance géante
FeCr FeCr Cr
e- spin up
e- spin down
I
I I
RR
R R
Couplage antiferromagnétique, H=0
En champ magnétique nul (H=0): configuration antiparallèle (résistance élevée)
II– La magnétorésistance géante
N
S N
S
2
RRR 1
eq
)()(
FeCr FeCr Cr
e- spin up
e- spin down
I
I IR
R
R
R
En champ magnétique non nul (H0):configuration parallèle (résistance faible)
II– La magnétorésistance géante
H
)(
)(
RR
RR2R 2
eq
N N
S S
Têtes de lecture de disques durs
Couche libre
Cu
Couche piégée
Couche anti-ferromagnétique
B
Courant de lecture
Couche libre
Cu
Couche piégée
Couche anti-ferromagnétique
B
Courant de lectureVanne de spinVanne de spin
II– La magnétorésistance géante
Applications
III – Magnétorésistance et disques durs
III
Magnétorésistance et disques durs
Constitution d’un disque dur
III – Magnétorésistance et disques durs
Les informations vont être stockées sous forme de séquences de bits "0" et de "1".
Comment coder et stocker de l’information sur les plateaux ?
Ecriture des séquences 01001101… sur des pistes.
Pistes
NS
S
N
NN
S
S
00
1
S
N
1
Enregistrement longitudinal
N SS N“0”
N S N S
ou
N SS NN SS N“0”
N S N SN S N S
ou
NN SS
S SN N“1”ou
NN SS NN SS
S SN NS SN N“1”ou
Codage des bits 0 et 1:
Transition S-N ou N-S Transition N-N ou S-S
Plateau
III – Magnétorésistance et disques durs
Principe de lecture des données
La lecture des données va se faire par détection de champ magnétique.
Pour une transition N-N ou S-S
Au niveau de la transition, proche de la surfacechamp magnétique de fuite perpendiculaire important
Facilement détectable
NN SS
BBNN SS NN SS
BBS SN N
BB
S SN NS SN N
BB
Bit "1"
III – Magnétorésistance et disques durs
Pour une transition N-S ou S-N
N S N SN S N S N SS NN SS NN SS N
Au niveau de la transition,champ de fuite perpendiculaire nul
Pas de détection Bit "0"
Un "0" est en fait une absence de "1"
III – Magnétorésistance et disques durs
N SS N NN SSSN
0 0 11
Piste magnétique
BB BB
Lignes de champ magnétique
Tête de lecture =
Détecteur de champ magnétique
Lecture des données par détection du champ magnétique de fuite.
Horlogecommandel’ouverture de la fenêtre de mesureà intervalles de temps réguliers
La tête de lecture a fait 4 mesures aux temps t1, t2, t3 et t4 et a détecté une séquence "1 0 0 1"
t1t2t4t 3
III – Magnétorésistance et disques durs
Support
Couche magnétique Couche protectrice
Constitution des plateaux
Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants !
CoCrPt
Alou
verre
30-50 nm
III – Magnétorésistance et disques durs
Structure de la couche magnétique
Elaboration par dépôt de couches minces.
Enregistrement longitudinal = Aimantations dans le plan du disque
10 nm
Grains magnétiques séparés par du Cr
Epitaxie
III – Magnétorésistance et disques durs
Grains magnétiques séparés pas du Cr
Aimantation globaled’un grain
(1 domaine magnétique)
Cr Réduire le couplage magnétique entre grains
III – Magnétorésistance et disques durs
S N N S
Plateau(couches magnétique)
1 bit = N grains cristallographiques
Longueur B
Largeur W
Orientation aléatoire de l’aimantation
Tête d’écriture
TransitionTête d’écriture = tête inductive
I > 0I < 0Courant
d’écriture
BB
Entrefer
Bobine
Courant d’écriture
MrMr
Principe d’écriture des données
III – Magnétorésistance et disques durs
pistes
1 1 1 1 1
PistesW < 0,5 m
Organisation en pistes
Espaceinter-pistes
III – Magnétorésistance et disques durs
Observation des bits de données en microscopie à force magnétique
pistes
Zones brillante = "1"
Zones sombres = “0"
III – Magnétorésistance et disques durs
Les têtes de lecture/écriture
Bras
Slider
Bras
Slider=
Support de tête
3 mm
4.025 mm
Rail
Contactsélectriques
Epaisseur du rail400 m
Têtes
Forme aérodynamique du slider Les têtes vont voler au dessus de la surface des plateaux (v ~ 120 km/h)
Détermine la hauteur de vol (distance têtes-plateaux ~ 10 nm )
III – Magnétorésistance et disques durs
Technologie de têtes volantes (Air Bearing System)
Plateau au repos
Plateau en rotation
Plateau "Tapis d’air "slider
Tête
Zone de décollage
Plateau
Pistes (tracks)Bras
têtes
III – Magnétorésistance et disques durs
Lorsque les têtes s’écrasent
III – Magnétorésistance et disques durs
sliderBouclier
magnétique
Tête de lecture
BB
Entrefer
Bobine
Tête d’écriture
Courant d’écriture
Courant de lecture
~ 5 m
III – Magnétorésistance et disques durs
E. Cadel (GPM)
Bouclier magnétique
Tête de lecture
200 nm
E. Cadel (GPM)
Observation de têtes au microscope électronique Entrefer
III – Magnétorésistance et disques durs
Disque dur en action
Transfert de données d’un Cd-Rom vers le disque dur
(R. Lardé, GPM UMR CNRS 6634)
III – Magnétorésistance et disques durs
Augmentation de la densité de stockage
Diminution de la taille des bits
Densité de stockage = Nombre de bits par unité de surface
En 2003 : 100 Gbits/Inch2 (~ 15 Gbits/cm2)
En 1956 : 2000 bits/Inch2 (~ 300 bits/cm2)
Prévisions : 50 Tbits/Inch2 (~ 750 Gbits/cm2)
III – Magnétorésistance et disques durs
1 bit = N1 grains cristallographiques
Longueur l1
Largeur W
1
1 bit = N2 grains cristallographiques
Longueur l2
Largeur W
2
1 bit = N1 grains cristallographiques
Longueur l3
Largeur W
3
Diminution de la taille du bit
par réduction du diamètredes grains
1
2
Comment faire pour diminuer la taille des bits
Diminution de la taille du bit
par réduction du nombre de grainsRSB(rapport signal sur bruit)
RSB N
Si N RSB
III – Magnétorésistance et disques durs
2
On ne peut se contenter de la seule réduction de taille des bits !
Réduction de la taille des bits = diminution de l’intensité des champs de fuite détectables
NN SS NN SS NN SS
BBBB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
têtes
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
NN SS
BB
NN SS NN SS
BB
têtes
Diminution de la taille des bits
H : hauteur de vol
H : hauteur de vol
Augmentation du bruit de fond
Il faut donc réduire la hauteur de vol et augmenter la sensibilité des têtes de lecture.
mmmm
faible gradient de champ
gradient de champ important
III – Magnétorésistance et disques durs
Des têtes de lecture plus sensibles
En 1988 : Albert Fert découvre la magnétorésistance géante (MRG)
Apparition des vannes de spin
Couche libre
Cu
Couche piégée
Couche anti-ferromagnétique
B
Courant de lecture
Couche magnétique libreCu
Couche piégée
Couche anti-ferromagnétique
Cu
I
On détecte les champs de fuite par variation de la résistance électrique.
Un champ magnétique très faible provoque une forte variation de la
résistance électrique
III – Magnétorésistance et disques durs
Lignes de champ magnétique
Vanne de spin
Variation de la résistance électrique
Détection des champ de fuites ( détection des bits "1“)
III – Magnétorésistance et disques durs
III – Magnétorésistance et disques durs
Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage :
L’enregistrement perpendiculaire
Les aimantations ne sont plus dans le plan des plateaux mais perpendiculaires aux plateaux.
Enregistrement longitudinal Enregistrement perpendiculaire
III – Magnétorésistance et disques durs
Evolution de la densité de stockage
III – Magnétorésistance et disques durs
Années
De
nsi
té d
e st
ocka
ge
(G
b/in
ch²)
RAMAC 1311 (1962)
1952 - 2008Les disques durs
Les disques durs
Fin
Diminution de la taille des bits : la limite physique du super-paramagnétisme !
Dans une nanoparticule magnétique l’orientation de l’aimantation est déterminée par l’axe d’anisotropie
-1 0 1 2 3 4
E = K.V.sin()2
m
m
Axe d’anisotropie
m
Etat stable Etat stable
Etat instable
Kv
La barrière d’énergie V
Aimantation stable pour K.V >> k.T
Si V trop faible K.V ~ kT
Fluctuation de l’aimantationpar agitation thermique
Perte de l’information stockée
III – Magnétorésistance et disques durs
Vaincre le super-paramagnétisme !
Augmentation de l’anisotropieUtilisation de matériaux magnétiquement durs (anisotropie plus forte)
Problème:
Ecriture assistée par LASER
Diminuer la température (disques à azote liquide) impensable !!
Solutions retenues
Maintenir l’aimantation stable par un couplage magnétique(piégeage)
AFC media (IBM 2001)CoCrPt
Ru
Champ d’écriture nécessaire beaucoup plus élevé
III – Magnétorésistance et disques durs
Grains magnétiquesà forte anisotropie
BB
Entrefer
Bobine
Courant d’écriture
LASER
Le champ d’écriture seul n’est plus suffisant pour orienter les aimantations.
Le LASER apporte de l’énergie thermique.
Enregistrement assisté par LASER
k.T + B Retournement de l’aimantation
III – Magnétorésistance et disques durs
Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage :
Les " patterned media"
Substrat
Plots magnétiques
Substrat
Plots magnétiques
Organisation de plots FePt (forte anisotropie) sur la surface du disque
aimantation
Un seul grain (plot) par bits50 TBits/inch2
III – Magnétorésistance et disques durs
I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin
Métaux de transition(Cu, Fe, Co…)
Evénements de diffusion :Diffusion 4s+ 4s+ pour les spin up
Diffusion 4s- 3d- pour les spin down
les électrons 4s véhiculent le courant électrique
2 canaux indépendants4s+ (spin up) et 4s- (spin down)
Modèle de Mott (1936)
M
I-
Cu
I+
R
R
M
Couche de Fe
4s
3d-
3d+
Couche Cr
4s
EF
La diffusion des électrons dépend de l’orientation du spin par rapport à l’aimantation
Retournement d’aimantation
4s
EF
MI+
Cu
I-
R
R
I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin
Couche Cr
MCouche de Fe
4s
3d-
3d+
Champ magnétique nul
Distribution aléatoire des moments magnétiques
Champ magnétique élevé
Moments magnétiques alignés avec le champ
Les 2 canaux subissent le même nombrede diffusions 4s 3d
Seul le canal de spin down subitla diffusion 4s 3d
2
RRR 1
eq
)()(
Résistance élevée
)(
)(
RR
RR2R 2
eq
Résistance faible
I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin
H
I
R R
R R
R
R
R
R
I