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Le Nobel de physique à un Français pour la magnétorésistance géante

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L'académie suédoise vient de décerner le Prix Nobel de physique 2007. Celui-ci récompense les deux chercheurs ayant découvert simultanément le phénomène de magnétorésistance géante, capital pour le fonctionnement des têtes de lectures des disques durs de nos ordinateurs. Il s'agit du Français Albert Fert et de l'Allemand Peter Grünberg.

L'électron se comporte comme un petit aimant avec un moment cinétique de spin demi-entier lié à son moment magnétique (Crédit : Ecole Polytechnique Montréal).
Albert Fert (Crédit : CNRS).
Peter Grünberg (Crédit : Forschungszentrum Jülich).

C'est en 1988 que ces deux physiciens du solide ont découvert qu'une alternance de couches ultraminces de fer et de chrome, d'une épaisseur de quelques atomes pour chaque couche, présentait une très forte chute de sa résistivité sous l'action d'un champ magnétique. L'effet était déjà connu depuis longtemps mais pas avec une telle amplitude, c'est pourquoi il a été baptisé magnétorésistance géante ou GMR (Giant MagnetoResistance en anglais).

Grâce à ce phénomène, d'infimes variations d'intensités de champs magnétiques devenaient mesurables. Les applications pratiques furent quasi immédiates avec la technologie de l'enregistrement et de la lecture magnétique d'informations sur des disques durs. En effet, c'est en magnétisant une petite région de ces disques qu'une alternance d'aimantations dans un sens perpendiculaire « haut » ou « bas » permet d'enregistrer une série d'informations binaires. Plus ces régions sont petites,  plus la densité d'informations, et donc la capacité de stockage des disques durs, est importante. En contrepartie, l'aimantation est de plus en plus faible et il devient de plus en plus difficile de la lire. En utilisant l'effet GMR, la capacité de stockage a été multipliée par 100 !

La spintronique

Plus généralement, cette découverte a ouvert la porte à ce qu'on appelle l'électronique de spin. Dans l'électronique classique, on manipule les électrons essentiellement par l'intermédiaire de leur charge électrique. Dans l'électronique de spin, ou spintronique, c'est une caractéristique étrange des électrons, d'origine foncièrement quantique, qui est mise en jeu.

On a en effet découvert que les électrons se comportaient un peu comme s'ils étaient des toupies avec un moment cinétique de rotation ou spin. Comme ils sont chargés, tout se passe comme s'il y avait un courant électrique générant ce qu'on appelle un moment magnétique. Sous l'action d'un champ magnétique l'électron s'oriente alors et c'est gràce à cela que l'on peut le manipuler. En fait, la mécanique quantique impose que cette orientation ne puisse se faire que parallèlement ou anti-parallèlement au champ magnétique.

Toutefois, cette représentation de l'électron comme une toupie magnétique, même si elle aide à comprendre et à se représenter les choses, ne doit pas être prise au pied de la lettre, sans quoi elle conduit à de graves contradictions. L'électron devrait, par exemple, tourner sur lui-même plus vite que la lumière.

Le domaine de la spintronique est très prometteur et on attend beaucoup notamment de la technologie des MRam (Magnetic Random Acces Memory). Imaginez des mémoires magnétiques permanentes pour remplacer les DRam (Dynamic Random Acces Memory) et SRam (Static Random Acces Memory) à base de semi-conducteurs qui ont un caractère volatil (il faut donc les alimenter en électricité pour y maintenir l'information). Il n'y aurait plus à stocker les programmes et les données sur le disque dur à l'arrêt de l'ordinateur puis à les recharger à la remise en tension. De plus, contrairement à ces mémoires qui consomment de l'énergie même en période de veille, les MRAM n'ont besoin d'énergie que pendant un travail effectif. Les actuelles mémoires Flash (celles des clés USB, des cartes mémoires et, déjà, de certains disques durs) sont elles aussi permanentes mais elles sont bien trop lentes et ne peuvent pour l'instant jouer que le rôle de mémoires de masse.

Avec cette technologie, on aurait donc un allongement significatif de la durée de vie de la batterie d'un ordinateur ou d'un téléphone portable.

Les deux chercheurs à l'origine de ces découvertes collectionnent les prix depuis quelque temps. Albert Fert, 69 ans, est né à Carcassone (sud de la France). Il est le directeur scientifique de l'Unité mixte de Physique au CNRS/Thales, à Orsay (près de Paris), depuis 1995. Quant à Peter Grünberg, 68 ans, il a été professeur à l'Institut für Festkörperforschung, Forschungszentrum Jülich, en Allemagne mais depuis son départ à la retraite en 2004, il continue à y travailler comme invité.

Les deux hommes ont des relations très amicales depuis le temps où ils se sont mis d'accord pour partager le crédit de leur découverte en 1988. Déjà en 2007 ils avaient reçu conjointement le Japan Prize, lequel, pour Albert Fert, s'ajoutait à une médaille d’or du CNRS en 2003 et au prix Wolf 2007, l'équivalent du Prix Nobel en Israël.