La tête de lecture GMR d'IBM a permis aux disques durs de se miniaturiser dans les ordinateurs portables et les lecteurs de poche

À la fin des années 1980, l'industrie du disque dur se heurtait à un mur érigé par son propre succès : plus le domaine magnétique était petit, plus son champ était faible, et le capteur de lecture standard — la magnétorésistance anisotrope, connue depuis que Lord Kelvin l'a mesurée en 1857 — manquait de sensibilité. En 1988, le mur s'est fissuré deux fois : Albert Fert à Orsay et Peter Grünberg à Jülich ont découvert indépendamment la magnétorésistance géante, où la résistance varie dans des structures en couches de fer-chrome bien plus que dans tout effet connu sous un champ faible.

Transformer l'effet en produit a nécessité deux étapes supplémentaires, toutes deux menées depuis IBM. D'abord la valve de spin : une couche magnétique épinglée, une libre, de sorte que le balayage d'un disque fait basculer la couche libre entre parallèle et antiparallèle et convertit chaque domaine en un courant haut ou bas net — des données binaires lues directement sur la résistance. Ensuite la fabrication : l'épitaxie, la méthode utilisée par les deux découvreurs, était trop lente et coûteuse pour passer à l'échelle. L'équipe de Stuart Parkin chez IBM a montré que l'effet GMR survit dans des couches fabriquées par pulvérisation cathodique, un procédé industriel bon marché — la perfection n'était jamais requise.

La première tête de lecture GMR commerciale a été livrée en 1997 et, comme le rapporte la conférence Nobel de Fert, les têtes GMR ont remplacé les capteurs AMR cette même année ; la page d'information du Nobel note que la nouvelle technologie est devenue standard peu après. Le bénéfice fut la poursuite de la course exponentielle du disque : des lecteurs d'un téraoctet pour usage domestique, des disques assez petits pour les ordinateurs portables et les lecteurs de musique de poche. La technologie successeure, la magnétorésistance à effet tunnel, équipe aujourd'hui les têtes les plus récentes — et Fert et Grünberg ont partagé le prix Nobel de physique 2007 pour l'effet qui sous-tend tout cela.

Lire les bits grâce au spin de l'électron, et non par un courant induit

La sensibilité de lecture était la contrainte déterminante de la densité surfacique, et la GMR l'a multipliée par rapport à l'AMR d'un ordre de grandeur en laboratoire — la physique correspondait exactement au goulot d'étranglement.

La structure de valve de spin transforme la direction d'un champ en un signal net à deux niveaux, sans nécessiter de positionnement fin analogique — l'effet est compatible avec le numérique par construction.

La pulvérisation cathodique a levé le mur de la fabrication : l'effet ne dépendait pas de couches épitaxiales parfaites, si bien que les têtes pouvaient être produites à l'échelle industrielle.

Le bénéfice se cumule grâce à l'économie propre du disque : chaque gain de densité surfacique réduit le coût par gigaoctet, ce qui a créé le marché du stockage pour appareils portables.

Une découverte ne devient un produit que lorsque quelqu'un trouve le moyen bon marché de la fabriquer. La pulvérisation cathodique a montré que l'effet survivait à des couches imparfaites — le raccourci de fabrication a décidé de ce qui serait livré.

Les têtes de lecture GMR sont devenues la norme de l'industrie en quelques années après 1997 et ont porté l'ascension de la densité du disque dur à travers l'ère du téraoctet, une évolution que la Fondation Nobel crédite de la miniaturisation des disques durs dans les ordinateurs portables et les appareils de poche. Les têtes TMR — la même physique avec un espaceur isolant — ont supplanté la GMR dans la génération la plus récente. Fert et Grünberg ont partagé le prix Nobel de physique 2007, et les travaux d'IBM sur les matériaux qui ont industrialisé l'effet ont ensemencé le domaine plus large de l'électronique de spin, y compris les jonctions tunnel magnétiques et la MRAM.