Jonctions Tunnel Magnétiques aux limites // Magnetic Tunnel Junctions at Boundaries

L'électronique de spin, grâce au degré de liberté supplémentaire apporté par le spin de l'électron, permet de déployer une physique du magnétisme à petite échelle très riche, mais également d'apporter des solutions technologiques de ruptures dans le domaine de la microélectronique (stockage, mémoire, logique...) ainsi que pour la mesure du champ magnétique.
Dans le domaine des sciences du vivant et de la santé, des dispositifs à base de magnétorésistance géante (GMR) ont fait la démonstration de la possibilité de mesurer à échelle locale les champs très faibles produits par les cellules excitables (Caruso et al, Neuron 2017, Klein et al, Journal of Neurophysiology 2025).
La mesure de l'information contenue dans la composante magnétique associée aux courants neuronaux (ou magnétophysiologie) peut en principe donner un descriptif du paysage neuronal dynamique, directionnel et différentiant. Elle pourrait ouvrir la voie à de nouvelles modalités dans les implants, grâce à leur immunité à la gliose et à leur longévité.
Le verrou actuel est la très petite amplitude du signal produit (<1nT) qui nécessite de moyenner le signal pour le détecter.
Les magnéto-résistances tunnel (TMR), dans lesquelles est mesuré un courant tunnel polarisé en spin, présentent des performances de sensibilité de plus d'un ordre de grandeur par rapport au GMR. Elles présentent cependant actuellement un niveau de bruit à basse fréquence trop élevée pour en tirer tout le bénéfice, notamment dans le cadre de la mesure de signaux biologiques.
L'objectif de cette thèse est de repousser les limites actuelles des TMR, en réduisant le bruit à basse fréquence, pour les positionner comme capteurs de rupture pour la mesure de signaux très faibles, et pour leur potentiel d'amplificateur de petits signaux.
Pour atteindre cet objectif, une première voie reposant sur l'exploration des matériaux composant la jonction tunnel, en particulier ceux de la couche magnétique dite libre, ou sur l'amélioration de la cristallinité de la barrière tunnel, sera déployée. Une seconde voie, consistant à étudier les propriétés intrinsèques du bruit à basse fréquence, en particulier dans des limites jusque-là inexplorées, en très basses températures où les mécanismes intrinsèques sont atteints, permettra de guider les solutions les plus prometteuses.
Enfin, les structures et approches les plus avancées sur l'état de l'art ainsi obtenues seront intégrées à des dispositifs permettant d'une part d'avoir des briques de base pour au delà de l'état de l'art et offrant de nouvelles possibilité pour les applications de l'électronique de spin. D'autre part, ces éléments seront intégrés à des systèmes pour la cartographie en 2D (voire 3D) de l'activité d'un système biologique global (réseau neuronal) et d’évaluer les capacités pour des cas cliniques (comme l’épilepsie ou la réhabilitation motrice).
Il est à noter que ces TMR améliorées pourront avoir d’autres applications dans les domaines d’instrumentation physique, de contrôle non destructif ou d’imagerie magnétique.
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Spin electronics, thanks to the additional degree of freedom provided by electron spin, enables the deployment of a rich physics of magnetism on a small scale, but also provides breakthrough technological solutions in the field of microelectronics (storage, memory, logic, etc.) as well as for magnetic field measurement.
In the field of life sciences and health, giant magnetoresistance (GMR) devices have demonstrated the possibility of measuring the very weak fields produced by excitable cells on a local scale (Caruso et al, Neuron 2017, Klein et al, Journal of Neurophysiology 2025).
Measuring the information contained in the magnetic component associated with neural currents (or magnetophysiology) can, in principle, provide a description of the dynamic, directional and differentiating neural landscape. It could pave the way for new types of implants, thanks to their immunity to gliosis and their longevity.
The current bottleneck is the very small amplitude of the signal produced (<1nT), which requires averaging the signal in order to detect it.
Tunnel magnetoresistances (TMR), in which a spin-polarised tunnel current is measured, offer sensitivity performance that is more than an order of magnitude higher than GMR. However, they currently have too high a level of low-frequency noise to be fully beneficial, particularly in the context of measuring biological signals.
The aim of this thesis is to push back the current limits of TMRs by reducing low-frequency noise, positioning them as break sensors for measuring very weak signals and exploiting their potential as amplifiers for small signals.
To achieve this objective, an initial approach based on exploring the materials composing the tunnel junction, in particular those of the so-called free magnetic layer, or on improving the crystallinity of the tunnel barrier, will be deployed. A second approach, consisting of studying the intrinsic properties of low-frequency noise, particularly in previously unexplored limits, at very low temperatures where intrinsic mechanisms are reached, will guide the most promising solutions.
Finally, the most advanced structures and approaches at the state of the art thus obtained will be integrated into devices that will provide the building blocks for going beyond the state of the art and offering new possibilities for spin electronics applications. These elements will also be integrated into systems for 2D (or even 3D) mapping of the activity of a global biological system (neural network) and for evaluating capabilities for clinical cases (such as epilepsy or motor rehabilitation).
It should be noted that these improved TMRs may have other applications in the fields of physical instrumentation, non-destructive testing, and magnetic imaging.




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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : PANNETIER-LECOEUR Myriam
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/LNO
URL : https://iramis.cea.fr/en/pisp/myriam-pannetier-lecoeur/
URL : https://iramis.cea.fr/en/spec/lno/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

MAster 2 physique du solide/nanosciences