Dispositifs SPINtroniques inNOVAnts : des excitations collectives vers les systèmes microondes miniaturisés – SPINNOVA

À l’instar de la découverte de la magnétorésistance géante (Prix Nobel 2007), qui a révolutionné l’industrie de l’enregistrement magnétique, les récents progrès rapportés dans le domaine de l’électronique de spin (spintronique) permettent d’envisager une révolution dans les technologies de l’information. La prochaine grande opportunité pour les nanodispositifs basés sur la spintronique est le marché des composants microondes miniaturisés et hautement intégrés pour les communications sans fil ou connections interpuces, et pour les capteurs microondes. Ces composants sont basés sur le concept du transfert de spin dans des multicouches. Cette prédiction, mise en évidence en 2003, décrit comment l’interaction entre un courant continu (DC) polarisé en spin et un moment magnétique peut générer des oscillations de l’aimantation de large amplitude, qui en retour génèrent une tension alternative (RF) aux bornes de ces dispositifs. La fréquence de ces émissions RF dépend des modes magnétiques excités par le transfert de spin et se situe dans la gamme de 0,1 à 65 GHz.

L’effet de transfert de spin et les propriétés microondes qui lui sont associées sont intensément étudiés en France, en particulier par CNRS/Thales, SPINTEC, CEA-SPEC, et CEA-LETI. Ces équipes ont considérablement contribué à la compréhension de la dynamique non-linéaire de l’aimantation générée par des courants et champs magnétiques DC ou RF dans des nanodispositifs magnétiques de compositions très variées. En conséquence, les performances de ces dispositifs (puissance de sortie, pureté spectrale, agilité) ont été améliorées, si bien que de nouvelles applications, complétant la synthèse d’hyperfréquences souvent mise en avant, peuvent maintenant être proposées. En se basant sur ces progrès récents et sur le potentiel de ces dispositifs en terme d’agilité, de vitesse de modulation, de miniaturisation, et de robustesse vis-à-vis des radiations par rapport aux technologies RF existantes (circuit LC, ring oscillator, etc.), le consortium de SPINNOVA conclut qu’il est à présent possible d’aller au-delà de simples études sur des nanodispositifs stand-alone, c’est-à-dire vers de nouvelles fonctions abordées au niveau système.
Plus précisément, SPINNOVA se propose (i) de développer un nouveau type de boucle à verrouillage de phase adapté aux dispositifs de la spintronique et permettant d’étudier au niveau système la génération de fréquence, et (ii) d’évaluer deux nouvelles fonctions au niveau dispositif, à savoir le mélange/modulation et la détection de signaux microondes, ceci pour une évaluation au niveau système d’une chaîne de transmission/réception et d’une fonction de détection de fréquence. Des dispositifs spintroniques spécifiques seront développés afin de viser deux gammes de fréquence, moyenne (0.1–2 GHz) et haute (2–25 GHz). Bien que de fortes puissances puissent être atteintes en utilisant des jonctions tunnel, la pureté spectrale des dispositifs spintroniques RF existants, basés sur l’excitation d’une couche magnétique unique, est dégradée à cause de leur grande sensibilité aux fluctuations thermiques. Le choix stratégique de SPINNOVA est donc de se focaliser sur des excitations collectives couplées dans des empilements magnétiques innovants, qui permettront d’atteindre les performances microondes nécessaires au développement de systèmes spintroniques RF.

Le but de SPINNOVA est de démontrer l’intérêt et la supériorité d’une nouvelle génération de nanocomposants spintroniques pour la synthèse de fréquence, la modulation, et la détection de signaux RF vis-à-vis des solutions microondes existantes. À cet effet, SPINNOVA associe 4 laboratoires de recherche mondialement reconnus pour leurs compétences en spintronique, nanofabrication et expertise en caractérisation microonde (CEA-DIHS, SPINTEC, CNRS, CEA-SPEC), 2 laboratoires réputés dans le domaine de la microélectronique (XLIM, CEA-DACLE), ainsi que deux leader industriels de l’électroniqueTHALES RT et THALES TCF.