Manipulation des ondes de spin dans les matériaux ferromagnétiques itinérants à l’échelle nanométrique : aspects technologiques et fondamentaux – NanoSWITI

D’un point de vue théorique, nous avons développé plusieurs outils afin de modéliser la propagation des ondes de spin dans des configurations magnétiques inhomogènes: un calcul de perturbation adapté à des situations de faibles inhomogénéités, un code de matrice
dynamique donnant accès aux modes de propagation et enfin une extension d’un code micromagnétique existant permettant de simuler des géométries complexes. D’un point de vue expérimental, nous avons utilisé la spectroscopie d’ondes de spin propagative, une
technique hyperfréquence inductive utilisant des micro-antennes pour exciter et détecter les ondes de spin dans une piste ferromagnétique. En améliorant le procédé de nanofabrication et le protocole de mesure et d’analyse nous avons pu caractériser très précisément la propagation dans des films de différentes épaisseurs (4 à 40 nm), et ce, même en présence d’un fort courant électrique. La technique a également été adaptée à des bicouches métal ferromagnétique / métal lourd permettant de mettre à profit l’effet Hall de spin.

Nous avons montré :
-que la propagation des ondes de spin était directement influencée par une asymétrie dans
l’épaisseur du film ferromagnétique (non-réciprocité en fréquence)
-que les parois de domaine magnétiques guidaient très efficacement les ondes de spin
-que les ondes de spin pouvaient être amplifiées ou atténuées en utilisant l’effet Hall de spin.

Le projet NanoSWITI est un projet de recherche fondamentale coordonné par l’IPCMS. Il associe aussi l’UMPhy CNRS/Thalès, ainsi que l’IEF, XLIM et Thalès-RT. Le projet a commencé en décembre 2011 et a duré 48 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 610 515 € pour un coût global de l’ordre de 2 300 000 €.

Travaux théoriques sur la propagation des ondes de spin dans des configurations magnétiques
inhomogènes :
Phys. Rev. B 89, 224408 (2014)
Phys. Rev. Lett. 114, 247206 (2015)
Adv. Electron. Mater. 2, 1500202 (2016)
Travaux expérimentaux sur le décalage Doppler des ondes de spin et les non-réciprocités en
fréquence :
Phys. Rev. B 88, 054417 (2013)
Phys. Rev. B 89, 094426 (2014)
Phys. Rev. B 93, 054430 (2016), Editor’s suggestion
Publication quadri-partenaires sur l’amplification des ondes de spin par effet Hall de spin :
Submitted to Appl. Phys. Lett

Les ondes de spin constituent les excitations élémentaires d’un matériau ferromagnétique. Ces excitations ont des fréquences caractéristiques dans le domaine des GHz et elles gouvernent la dynamique de l’aimantation dans le régime temporel correspondant. L’importance fondamentale des ondes de spin en magnétisme est reconnue de longue date, mais leur utilisation en tant qu’éléments de base pour de nouvelles technologies n’est envisagée que depuis peu. C’est aujourd’hui un sujet d’intenses recherches, rassemblées dans un domaine naissant baptisé « magnonique ». Les échelles spatiale et temporelle associées aux ondes de spin (nanomètre et picoseconde) sont précisément celles de l’électronique moderne ce qui laisse entrevoir la possibilité de concevoir avec elles des dispositifs extrêmement petits, dédiés au traitement analogique ou digital du signal et qui combineraient les avantages des dispositifs magnétiques (non-volatilité) et ondulatoires (flexibilité de l’architecture).

Deux obstacles majeurs devront toutefois être surmontés avant que la magnonique ne donne naissance à des technologies viables. Tout d’abord, une technique performante permettant de mesurer précisément la propagation des ondes de spin de courte longueur d’onde (100 nm ou moins) n’existe pas. D’autre part, un fort taux d’atténuation limite la cohérence spatiale des ondes de spin se propageant dans les matériaux ferromagnétiques itinérants (les métaux de transition Fe, Co, Ni et leurs alliages) qui sont les matériaux de choix pour les applications.

L’objectif principal du projet NanoSWITI est de contribuer à surmonter ces deux obstacles en développant des méthodes entièrement électriques de détection et de manipulation des ondes de spin, à l’échelle nanométrique. Pour la détection, nous procéderons en deux étapes. Dans un premier temps, la technique d’antennes inductives développée récemment par l’un des partenaires du projet et actuellement adaptée aux longueurs d’onde de l’ordre de 1 µm sera miniaturisée davantage pour atteindre 200 nm, aux moyens de procédés de nano-fabrication à l’état de l’art. Dans un deuxième temps, des longueurs d’onde encore plus courtes, jusqu’à 30 nm, seront obtenues en accélérant localement les ondes de spin par conversion de mode à la jonction entre deux media possédant différentes relations de dispersion pour les ondes de spin. Pour la manipulation des ondes de spin, nous intégrerons directement sur les circuits de propagation des nano-piliers magnétorésistifs permettant de générer et/ou d’amplifier les ondes par effet de transfert de spin. Ces nano-piliers seront également utilisés comme détecteurs en exploitant les effets de magnétorésistance géante et tunnel. Nous évaluerons le potentiel applicatif de ce type de dispositifs pour le traitement du signal dans la gamme hyperfréquence.

Un élément clé pour le développement de la magnonique est de mieux comprendre les processus physiques régissant la dynamique des ondes de spin dans les matériaux métalliques. Le second objectif du projet NanoSWITI est d’utiliser les méthodes expérimentales développées dans son cadre pour aborder des questions ouvertes concernant les fondements du nanomagnétisme, en particulier la question de la relation complexe entre le transport polarisé en spin et la dynamique de l’aimantation dans les métaux de transitions. Pour ce faire, nous étudierons des systèmes de couches minces modèles (permalloy polycristallin et fer monocristallin) dans différentes conditions expérimentales (températures de 4 à 300 K, champ magnétique appliqué jusqu’à 5 T, fréquences jusqu’à 50 GHz) dans le but de tester les théories récentes sur les ondes de spin de très courte longueur d’onde dans les ferromagnétiques itinérants. Combiné aux avancés technologiques que nous envisageons de réaliser, cet aspect fondamental du projet nous permettra d’évaluer précisément les potentialités de l’intégration, à moyen terme, de dispositifs magnoniques dans l’électronique conventionnelle.