Thèse Jonctions Tunnel Magnétiques aux Limites H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Myriam PANNETIER ORCID 0000000183481556 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 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 possibilités 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. Magnetic signals generated by neuronal activity contain valuable directional and dynamic information that could complement or surpass conventional electrophysiological measurements. While GMR sensors have demonstrated local detection of neuronal magnetic fields, the signal amplitude remains extremely small (<1 nT), and current TMR devices are limited by excessive low-frequency noise despite their superior sensitivity. The main objective is to significantly reduce the low-frequency noise of TMR sensors in order to improve their magnetic field sensitivity beyond the current state of the art. A long-term goal is to enable reliable detection and mapping of weak magnetic signals, for future biomedical and IT applications. The project will investigate new materials and architectures for TMR junctions, focusing on the magnetic free layer and the crystalline quality of the tunnel barrier. Experimental studies of intrinsic low-frequency noise, including measurements at low temperatures, will be combined with device fabrication, characterization, and integration into advanced sensing platforms.

M2 physique fondamentale, physique du solide
couches minces, nanomagnétisme, magnétotransport.