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Le discours d'Albert Fert.

Discours prononcé par Albert Fert lors de la cérémonie de la remise de la médaille d'or 2003 du CNRS.

Je suis extraordinairement heureux, très ému aussi, de recevoir aujourd'hui la médaille d'or du CNRS et de voir rassemblés autant d'amis et autant de collègues pour cette cérémonie. Je remercie le CNRS pour cette récompense prestigieuse, j'ai été impressionné quand j'ai regardé la liste de mes prédécesseurs. L'honneur qui m'est fait me semblerait  trop lourd pour mes épaules si je ne savais que je le partage avec l'équipe formidable de l'Unité Mixte CNRS-Thales et avec un grand nombre de chercheurs avec qui j'ai travaillé depuis le début de ma carrière.

 

Il y a un sentiment que je n'ai pas osé souvent exprimer mais que je veux dire aujourd'hui. C'est mon émerveillement quand je pense à l'aventure de la recherche, quand je réalise que les pures constructions de l'esprit de mes premiers travaux se sont concrétisées dans des réalités de notre vie quotidienne. Dans mes travaux de la fin des années 60, j'avais décrit l'effet du spin sur la mobilité des électrons dans un métal ferromagnétique. Je reste rêveur quand je réalise que cet effet me sert maintenant  chaque jour à la lecture du disque dur de mon ordinateur et a également d'autres applications dans des domaines aussi divers que la photographie numérique ou la médecine.

 

Je vais vous raconter mon parcours, l'aventure de cette recherche. L'aventure est collective, beaucoup de personnes y ont participé. Ian Campbell a dirigé ma thèse et l'électronique de spin a des racines profondes dans nos travaux de cette époque. Ensuite, bien plus tard, à la fin des années 80, l'avancée décisive, la découverte de la Magnétorésistance Géante, la GMR (Giant Magnetoresistance), est venue de la rencontre entre les idées de physique fondamentale que nous avions développées à l'époque de ma thèse et l'arrivée de technologies qui ont permis la fabrication de nanostructures. Ce qui a été décisif, ce fut d'abord l'établissement d'une collaboration avec Alain Friederich et Patrick Etienne à Thomson CSF pour la mise en œuvre  de ces technologies et l'étude de multicouches magnétiques. Un autre facteur décisif, à cette époque de la découverte de la GMR, a été le travail remarquable de Frédéric Nguyen Van Dau, Agnès Barthélémy et Frédéric Petroff, qui étaient alors mes doctorants, avant d'être aujourd'hui les locomotives de mon équipe à l'Unité CNRS-Thales. Depuis, de multiples contributions au développement de l'électronique de spin sont venues du travail collectif de toute cette équipe, avec également, pour la théorie surtout, un certain nombre  de collaborations extérieures. Je remercie tous ceux qui ont  participé à cette longue aventure.

 

Spin, électronique de spin, quelques explications simples d'abord pour ceux qui ne sont pas familiers de la physique et de son langage. Les électrons sont les particules chargées électriquement qui transportent le courant électrique. Le spin c'est, pour être bref, une minuscule aiguille de boussole fixée sur chaque électron ; on peut l'imaginer, dans une image simple, comme produit par la rotation de l'électron sur lui même. Alors que l'électronique classique déplace les électrons – ce déplacement constituant le courant électrique - en exerçant une force sur leur charge électrique, l'électronique de spin agit aussi sur le spin pour contrôler le déplacement des électrons.

En fait, si l'électronique classique ignore le spin de l'électron, c'est que trouver un moyen de piloter les électrons en agissant sur leur spin n'est pas un problème évident. L'idée à la base de l'électronique de spin est de faire passer le courant d'électrons à travers des couches ultra-fines de matériaux ferromagnétiques, c'est à dire de matériaux aimantés comme le fer ou le nickel. Il y a dans ces couches une forte interaction entre le spin de l'électron et l'aimantation du ferromagnétique. Une couche dont l'aimantation est dirigée vers le haut peut, par exemple, laisser passer facilement le courant d'électrons dont le spin est également orientée vers le haut et arrêter, ou presque arrêter, les électrons de direction de spin opposée. Cet effet de filtre à spin est, en simplifiant, la base générale de l'électronique de spin : en contrôlant une orientation d'aimantation et donc le filtrage des  spins, on peut contrôler un courant d'électrons.

Dans le phénomène de magnétorésistance géante, par exemple, le courant d'électrons est « filtré » par deux couches ferromagnétiques  successives. Si ces deux couches ont des aimantations opposées, l'une arrête les  électrons d'une certaine orientation de spin et l'autre arrête les autres. Le courant ne passe pas ou  presque pas. Par  contre, en présence d'un champ magnétique, les aimantations des deux couches s'alignent  dans la direction du champ, tous les électrons dont le spin est dans cette direction traversent sans problème le deux couches, et le courant passe. Un petit champ magnétique qui ouvre la porte au courant électrique, c'est le principe de la GMR. Ce petit champ sera, par exemple, celui généré par les inscriptions magnétiques sur le disque dur d'un ordinateur dans l'application de la GMR aux têtes de lecture. En fait, le mécanisme de la GMR est bien sûr un peu plus compliqué. Pour que « ça marche », il faut que les épaisseurs des couches et leur espacement ne dépasse pas quelques nanomètres, quelques millionièmes de millimètre. Ce qui veut dire que l'électronique de spin a du attendre  l'arrivée des nanotechnologies pour se mettre en  place.

 

Un peu d'histoire. L'influence du spin sur la mobilité des électrons dans les métaux ferromagnétiques avait d'abord été suggérée par le prix Nobel anglais Sir Nevill Mott. Ce fut ensuite mon sujet de thèse. Par des expériences sur de nombreux métaux et alliages ferromagnétiques, j'ai pu confirmer et quantifier cette influence, montrer par exemple qu'en dopant du nickel avec quelques  % de fer ou de cobalt on peut obtenir un filtrage très efficace des spins. Pour l'interprétation de ces effets, j'avais pu m'appuyer sur les théories de la structure électronique des métaux développées par Jacques Friedel et André Blandin à Orsay ou François Gautier à Strasbourg. Aller plus loin vers l'électronique de spin était par contre impossible en 1970. Il était impensable à cette époque de pouvoir fabriquer des empilements de couches aussi fines que le millionième de millimètre, c'est-à-dire de couches composées seulement de quelques plans d'atomes. Je suis moi même passé à d'autres sujets de recherche. 

 

Les progrès technologiques sont venus au milieu des années 80 avec l'arrivée de techniques de dépôt sous ultra-vide comme l'Epitaxie par Jets Moléculaires. En 1985, j'étais alors au laboratoire de Physique des Solides d'Orsay, Alain Friederich dirigeait un groupe du Laboratoire Central de Recherche de Thomson-CSF où l'on maîtrisait la technique d'Epitaxie par Jets Moléculaires et, après une discussion lors d'un congrès à San Diego en Californie, nous avons lancé une collaboration pour l'étude de multicouches magnétique. L'Epitaxie par Jets Moléculaires a permis de fabriquer des multicouches magnétiques qui, par exemple, empilaient en alternance trois couches d'atomes de fer puis trois couches d'atomes de chrome.

Un premier résultat observé a été que les aimantations de couches de fer successives interagissent et s'orientent en direction opposée pour certaines épaisseurs très fines de chrome. Ce n'était pas un résultat nouveau, on connaissait déjà cela pour certaines multicouches magnétiques. Mais cela nous donnait la nanostructure qu'il nous fallait, avec une possibilité de passer d'aimantations alternées à aimantations parallèles en appliquant un champ magnétique. La découverte de la GMR a suivi. Nous avons mesuré la résistance électrique de nos multicouches, appliqué un champ magnétique pour aligner les aimantations, et provoqué ainsi une forte chute de la résistance, 80% pour des épaisseurs de chrome correspondant à trois couches d'atomes de chrome.

On appelle magnétorésistance la variation de résistance d'un conducteur induite par un champ magnétique. Comme la variation observée était beaucoup plus grande que dans les conducteurs habituels, nous l'avons appelé magnétorésistance géante, en anglais « giant magnetoresistance » ou GMR.

 

 

Le mécanisme de la GMR est celui que j'ai décrit schématiquement plus haut. Dans la configuration d'aimantations alternées, tous les électrons sont arrêtés ou presque arrêtés une fois sur deux par les couches de fer. Par contre, en présence d'un champ magnétique, les aimantations s'alignent, une catégorie d'électrons se propage partout facilement et la résistance électrique est plus faible.  La base physique, c'est toujours l'influence du spin sur la mobilité des électrons à l'intérieur des couches de métal ferromagnétique et aussi sur la transmission des  électrons aux interfaces entre couches. Nos modèles de 1970 sont maintenant confirmés quantitativement par des calculs numériques sophistiqués des fonctions d'onde des électrons  dans une multicouche. L'optimisation des effets GMR s'appelle « wave function engineering », ingénierie des fonctions d'onde.

 

Notre publication de 88, qui présentait les résultats et leur interprétation, a été suivi quelques mois après, en 89, d'une publication du groupe de Peter Grünberg à Jülich en Allemagne qui  présentait des résultats du même type, plus modestes, quelques dizaines de fois plus petits, mais dus exactement au même phénomène. Grunberg et moi même avons été d'accord pour considérer que nos expériences avaient été réalisées quasi-simultanément et que nous partagions la découverte. La première théorie quantique de la GMR est venue d'une collaboration que j'ai eue avec Peter Levy de New York University et a été publiée en 1990. L'Ecole d'Orsay où, autour de Friedel, expérimentateurs et théoriciens collaboraient étroitement, a permis à beaucoup d'entre nous de mener parfois en parallèle expériences et théorie. Pour moi cela a donné quelques travaux théoriques qui sont  parmi les plus cités de ma liste de publications. Ce mélange des genres est peut être une caractéristique de l'école française de magnétisme, de Curie à Weiss, Néel et Friedel.  Il donne l'avantage d'une vue très globale des problèmes.

 

Le phénomène de GMR est apparu tout de suite intéressant pour des applications, par   exemple pour détecter un tout petit champ magnétique par une variation de courant électrique. Dès 93 sont apparus des capteurs de champ magnétique aujourd'hui utilisés dans l'industrie automobile et dans l'industrie de défense, ou aussi en médecine pour suivre des traceurs magnétiques à l'intérieur du corps humain. L'application la plus importante a été pour la  lecture de disques durs. Les têtes de lecture à GMR sont apparues sur le marché en 1997 et sont utilisées maintenant dans la plus part des ordinateurs. Sur un disque dur, l'information est stockée  sous forme de bits, 0 ou 1, associés  à des orientations de l'aimantation  dans un sens ou dans l'autre sur un petit élément du disque. Ces bits génèrent des champs magnétiques minuscules et, dans une tête à GMR, on détecte ces petits champs magnétiques par la variation de courant électrique qu'ils provoquent dans une multicouche magnétique. Grâce à la sensibilité de  l'effet GMR, on peut détecter des champs plus petits, donc inscrire des bits plus petits, donc augmenter la densité d'information stockée dans le disque. Depuis l'introduction des têtes GMR en 97, la densité de stockage a pu ainsi être multipliée par un facteur 100 environ.

Cependant on atteint maintenant la limite des têtes à GMR « classique », c'est à dire la GMR avec le  courant parallèle aux couches. La prochaine génération de disques utilisera d'autres effets d'électronique de spin comme la magnétorésistance tunnel (TMR) ou la GMR avec courant perpendiculaire aux couches.

 

La découverte de la GMR a déclenché de nombreuses recherches, d'autres phénomènes du même  type  ont  été  observés  et ont confirmé le potentiel d'une électronique exploitant le spin de l'électron. Par exemple la magnétorésistance tunnel ou TMR est obtenue avec ce que l'on appelle jonction tunnel magnétique, deux couches ferromagnétiques séparées par une couche isolante. Comme en GMR, le courant passe différemment selon que les aimantations des deux couches sont orientées dans le même sens ou dans des sens opposés, mais le passage à travers la couche isolante se fait dans ce cas là par un phénomène quantique appelé effet tunnel. A l'Unité Mixte CNRS-Thales,  Frédéric Petroff a développé la recherche sur ces jonctions tunnel, une recherche associée à une technologie difficile que peu de laboratoires sont capables de réaliser. Un type particulier de jonction tunnel à base d'oxydes magnétiques y a été étudié par Agnès Barthélémy et a permis d'obtenir une sorte de record du monde de TMR. Les jonctions tunnel magnétiques sont l'élément de base de composants très intéressants, les MRAM (Magnetic Random Access Memory). Ce nouveau type de mémoire électronique va concurrencer les mémoires volatiles à semiconducteur qu'utilisent les ordinateurs d'aujourd'hui pour un stockage temporaire à accès rapide de l'information. Les MRAM combinent stockage permanent et accès rapide. Elles devrait avoir un impact important  dans les technologies futures d'ordinateur et dans tout ce qui est électronique portable, téléphones mobiles, appareils photo numériques, etc.

 

Les technologies de l'information et de la communication prennent une place de plus en plus grande dans l'économie des pays industrialisés. Il est très important pour notre avenir économique que l'Europe et la France ne se laissent pas distancer par les Etats-Unis et le Japon dans le développement de ces technologies. C'est  un domaine où il y a une grande effervescence d'innovations industrielles, en général assez imprévisibles car elles viennent de recherches amont dans des directions très diverses. Les MRAM, que Motorola est le premier à mettre aujourd'hui sur le marché, n'étaient dans aucune « road map » de l'industrie des composants électroniques il y a cinq ou six ans. Elles ont été amenées par des travaux sur les jonctions tunnel magnétiques qui ont été développés dans des laboratoires de recherche fondamentale. Motorola et IBM ont été les plus prompts à foncer sur le créneau MRAM grâce à leurs liens très forts avec les laboratoires universitaires américains d'où viennent leurs ingénieurs et chercheurs. Une recherche amont, telle que la pratique le CNRS et telle que nous la pratiquons dans un laboratoire mixte CNRS-industrie, est le point de départ nécessaire pour initier de telles innovations. Il est urgent de rattraper le niveau de soutien des Etats-Unis pour ce type de recherche. La France et l'Europe ont leur carte à jouer dans la compétition  internationale pour le développement de ces nouvelles technologies.

Dans le cas particulier des MRAM, il est intéressant de constater qu'une grande partie des premiers développement industriels, au plan mondial, se fera en France, à Corbeil Essonne pour la société Altis alliant IBM et Infineon et prés de Grenoble pour le consortium regroupant Motorola, Philips et ST Microelectronics. Un communiqué de presse d'Altis indique qu'une de raisons du choix de Corbeil Essone est la proximité des équipes où a été découverte la GMR. Il y a sans doute d'autres raisons plus importantes, mais, si cet argument a quand même un peu joué, il est très satisfaisant que notre laboratoire et quelques autres aient pu contribuer à  attirer cette activité.

 

Nous travaillons aujourd'hui sur bien d'autres développements de l'électronique de spin. Un exemple de nouveau phénomène prometteur est la commutation d'un petit élément magnétique sans application de champ magnétique, seulement par injection d'un courant filtré en spin dans l'élément. Nous travaillons aussi sur des extensions de l'électronique de spin au domaine des semi-conducteurs. Cela pose de nouveaux problèmes, parfois difficiles, mais je crois que, sur le plan des applications, la fusion entre électronique classique à base de semi-conducteurs et électronique de spin est extrêmement prometteuse de nouveaux dispositifs. A l'horizon, un des objectifs les plus fascinants est l'ordinateur quantique, basé non pas sur la combinaison de données binaires, 0 et 1, comme l'ordinateur actuel, mais sur la combinaisons d'états d'objets quantiques qu'on appelle qubits. L'ordinateur quantique, pour certains types de travaux, pourrait permettre un gain de vitesse considérable. Plusieurs voies sont envisagées pour la réalisation de qubits. Des progrès très intéressants on ainsi été réalisés au CEA en utilisant les états quantiques d'un supraconducteur. Mais on peut aussi envisager réaliser des qubits basés sur l'état de spin d'un électron dans une « boite quantique ». Cela devrait être une des directions intéressantes pour le développement futur de l'électronique de spin.

 

Je voudrais terminer par quelques commentaires que m'inspire mon parcours en recherche :

- Mon premier commentaire est que la GMR, l'électronique de spin et leurs applications ne sont pas arrivées à l'improviste en 1988 mais viennent de recherches fondamentales bien antérieures. Elles viennent en fait de la rencontre entre des idées de la fin des années 60, partiellement oubliées, et l'arrivée des nanotechnologies. C'est le constat banal que les avancées ne viennent pas par génération spontanée mais du mûrissement d'idées parfois anciennes et d'autre part de rencontres, des rencontres avec des idées venus d'autres domaines de recherche, avec des progrès technologiques, ou encore avec des préoccupations industrielles.

 

- A propos des nanotechnologies, je voudrais ajouter que, de façon générale, elles relancent aujourd'hui de manière extraordinaire la recherche en physique de la matière condensée en permettant de créer de nouvelles architectures d'atomes ou de molécules à l'échelle du nanomètre. Une belle physique, avec également de belles promesses d'applications, se développe avec les systèmes carbonés tels que les fullerènes et les nanotubes de carbone, avec les structures pour électronique moléculaire et  avec tous les objets de la nano-électronique. Les nanosciences d'aujourd'hui ont le double intérêt de permettre au chercheur de donner libre cours à son imagination et, par ailleurs, de privilégier le caractère quantique des phénomènes.

 

- J'ai parlé de recherche. Je voudrais aussi parler de mon double métier, enseignant et chercheur. J'aime enseigner. On apprend beaucoup en approfondissant une question pour pouvoir l'exposer clairement, pour pouvoir en dégager des idées générales. Jeune enseignant chercheur, j'ai passé de longues heures à approfondir de nombreux domaines de la physique, dans mon secteur de recherche et dans d'autres. Mais, si j'ai pu le faire, c'est que j'avais seulement deux ou trois heures de cours par semaine, à peu prés le régime des bonnes universités américaines. Je doute fort que mes jeunes collègues d'aujourd'hui, avec trois fois plus d'enseignement, puissent également travailler en profondeur et se construire comme j'ai pu me construire. Revenir vers des normes raisonnables, moduler les charges d'enseignement en fonction de l'importance et du niveau de l'activité de recherche, multiplier les passerelles entre université et organismes de recherche, tout cela me semble très souhaitable pour permettre des parcours comme celui que j'ai pu avoir et que je n'aurais pu avoir dans l'université actuelle. C'est aussi très souhaitable pour rétablir une attractivité de notre métier qui a considérablement diminué. Au CNRS le ralentissement des carrières et les incertitudes sur l'évolution des  moyens ont également diminué l'attractivité du métier de chercheur. C'est aussi un problème préoccupant.

 

- Je voudrais aussi parler maintenant de la relation entre recherche publique et industrie. C'est ce que je vis quotidiennement dans le laboratoire mixte CNRS/Thales (également associé à l'Université Paris-Sud). Nous y sommes dans une situation intéressante de pont entre recherche fondamentale et recherche industrielle. Nous avons la même immersion dans la communauté de la recherche fondamentale que dans un laboratoire du CNRS, la même ambition d'être à l'avant garde de la recherche amont dans notre domaine, mais cela nous donne aussi une bonne vision des préoccupations de l'industrie, préoccupations de l'entreprise et du monde industriel en général. C'est la condition pour faire passer les bons messages au bon moment et cela nous amène aussi à identifier de nouveaux thèmes de recherche liés à des préoccupations industrielles. L'apport d'équipes mixtes peut être particulièrement intéressant pour explorer un domaine émergeant éloigné de la culture de l'entreprise et pour percevoir son potentiel pour des innovations industrielles. Une qualité du CNRS est sa grande réactivité pour remodeler ses équipes et créer de telles structures mixtes. Notre unité mixte, par exemple, a été créée un an à peine après les premiers contacts entre la Direction du Département Sciences Physiques et Mathématiques du CNRS et Thomson-CSF. Bien sûr cela a été possible parce qu'il existait déjà de fortes interactions et des relations de confiance entre le  CNRS et le Laboratoire Central de Thomson-CSF dans lequel beaucoup de chercheurs sont issus de la recherche publique. C'est le type de situation que l'on trouve généralement aux Etats Unis où les cadres de l'industrie sont le plus souvent Ph.D. et donc très familiers du monde de la recherche universitaire. Il y a sans doute en France des secteurs de l'industrie où la situation est différente et où la greffe entre les deux cultures peut être plus délicate. Mais je crois que c'est justement dans ces secteurs que cette greffe entre deux cultures peut être la plus fructueuse.

 

Je vais terminer en remerciant encore tous ceux qui m'ont accompagné et m'accompagnent aujourd'hui dans cette belle aventure de la recherche. Je remercie également Marie-Josée qui m'a toujours aidé à m'ouvrir vers d'autres intérêts quand mon métier devenait un peu trop envahissant. Je vous remercie tous de votre attention.

 

Albert Fert, médaille d'or 2003 du CNRS



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