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Excitation de magnons dans le régime fortement hors d'équilibre – MAESTRO

Excitation de magnons dans le régime fortement hors d'équilibre

L’objectif principal de l’ANR Maestro est de démontrer la manipulation d’ondes de spin (OdS) ou magnons de forte amplitude dans des dispositifs magnoniques. Ces derniers pourraient contribuer à un nouveau paradigme matériel basé sur le transport de courants purs de spin (sans transport de charge associé, donc durable) qui permettrait de révolutionner les technologies de l’information.

Objectifs globaux

Le consortium a préalablement établi la pertinence de systèmes hybrides ferromagnétique isolant (YIG) / métal normal (Pt) dans ce cadre. Il a également mis au jour des verrous liés aux effets non-linéaires qui limitent l’amplitude des ondes de spin sur lesquelles l’opération de ces dispositifs est basée. Pour les lever, le projet MAESTRO combine une ingénierie matériau avec des concepts de la magnonique et de la spintronique. L’anisotropie magnétique du matériau, qui dépend du dopage du YIG, permet en effet d’ajuster la non-linéarité globale du système, la nanostructuration de contrôler le spectre de magnons disponibles, et le courant de spin injecté par couple spin-orbite (SOT) d’altérer la distribution de magnons dans l’isolant magnétique. <br /> <br />Les buts recherchés sont : <br />(i) d'atteindre des dynamiques de très grande amplitude dans des nanostructures de YIG et d'étudier leur stabilité ; <br />(ii) de stabiliser une auto-oscillation de forte puissance sous pompage dc ; <br />(iii) de repousser, voire supprimer la saturation non-linéaire de l'amplification d’ondes de spin par couple spin-orbite, et de quantifier les performances d'une ligne à retard basée sur cette idée. <br /> <br />Cet effort devrait faire progresser la compréhension des turbulences d’ondes de spin dans les matériaux magnétiques à très faibles pertes sous fort courant de spin et permettre la conception de nouveaux composants micro-ondes compacts et intelligents répondant à l'évolution à long terme des télécoms.

Pour atteindre les objectifs ambitieux de Maestro, son consortium réunit toute l'expertise nécessaire sur la dynamique de l'aimantation, la croissance de couches ultra-minces de grenats et la mise au point de leurs propriétés, la nanofabrication, les méthodes expérimentales pour sonder la dynamique spatio-temporelle des OdS, et les simulations micromagnétiques, pour concevoir, fabriquer, caractériser, modéliser et optimiser des dispositifs magnoniques.

Trois moyens différents d'exciter les magnons dans le régime fortement hors d'équilibre seront comparés :
(i) une excitation harmonique (RF) classique, où les règles de sélection imposent la fréquence et la symétrie spatiale des OdS.
(ii) une excitation statique (dc) SOT, qui augmente/diminue la population de toutes les OdS (pas de règle de sélection).
(iii) en combinant ces deux excitations, i.e., l'amplification stimulée par SOT dc d'OdS excitées par la RF.

- Nous avons démontré le filtrage d’un signal radiofréquence par un cristal magnonique de taille micronique basé sur un film de YIG de 20 nm d'épaisseur. En cartographiant l'intensité et la phase des ondes de spin se propageant dans ce cristal magnonique par spectroscopie µ-BLS, nous avons obtenu la dispersion des ondes de spin et leur atténuation caractéristique. Un filtrage efficace est obtenu avec une sélectivité de 20 MHz à une fréquence de fonctionnement de 4.9 GHz.

- Nous avons démontré que dans un nanodisque de YIG, où le confinement géométrique supprime drastiquement les interactions non linéaires entre ondes de spin, la dynamique de l’aimantation peut conserver une cohérence spatiale jusqu’à de très grands angles de précession en l’excitant avec un champ micro-onde de forte amplitude. Pour étudier la stabilité de ce régime quand il est perturbé, nous avons appliqué une deuxième excitation micro-onde, de plus faible amplitude que la première. Une nouvelle résonance est alors détectée dans le repère tournant de l’aimantation : les deux pics d’absorption observés sont la signature d’un mouvement de nutation cohérente de l’aimantation, similaire à celui d’une toupie autour de son axe de précession. L’excitation résonnante des modes de nutations permet également de contrôler la bistabilité de la dynamique non linéaire de l’aimantation.

- Nous avons démontré le transport longue distance de moment angulaire via les phonons générés par couplage magnéto-élastique dans le YIG. Sa signature expérimentale sont les interférences observées par résonance ferromagnétique dans un échantillon composé de 2 couches de YIG séparées par un substrat non magnétique de GGG de 0.5 mm d’épais, qui sont dues au couplage fort de la dynamique des deux couches de YIG via les ondes sonores transversales dans le GGG. Grâce à une électrode de Pt déposée sur une des couches de YIG, le moment angulaire transmis par l’autre couche via les phonons a également été détecté électriquement.

Les mesures µ-BLS effectuées en 2020 sur la propagation d’ondes de spin dans des guides 1D de Bi:YIG/Pt et leur amplification par couple SOT sont très prometteuses. Elles démontrent que les effets de saturation non-linéaire que nous avions observés sur des guides YIG/Pt de géométrie similaire sont largement repoussés.

- B. Divinskiy et al., Appl. Phys. Lett. 116, 062401 (2020)
- V. E. Demidov et al., J. Appl. Phys. 127, 170901 (2020)
- K. An et al., Phys. Rev. B 101, 060407(R) (2020)
- Y. Li et al., Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)

La magnonique aspire à devenir une nouvelle technologie de l'information exploitant le degré de liberté du spin, avec pour ambition de développer une plateforme de traitement vectoriel du signal miniaturisée, versatile et efficace en énergie, offrant de nouvelles fonctionnalités par rapport à l'électronique CMOS. Cette perspective repose en particulier sur les effets de transfert de spin, qui peuvent être utilisés pour exciter, contrôler et détecter les ondes de spin (OdS), ou leur quanta magnons, avec des fréquences caractéristiques du GHz au THz et des longueurs d'onde du micromètre au nanomètre.

Depuis que les partenaires du projet ont démontré la possibilité de moduler le temps de relaxation des OdS se propageant dans le YIG, un isolant magnétique considéré comme le matériau magnonique idéal en raison de son facteur de qualité dynamique inégalé, le nouveau concept de milieu magnonique actif est devenu tangible. Cette première étape vers un dispositif fonctionnel a aussi révélé des effets de saturation indésirables, dus aux couplages non-linéaires entre magnons. Le but du projet Maestro est donc de maîtriser les instabilités et turbulences d'OdS qui apparaissent dans les matériaux à faibles pertes magnétiques, afin de faire fonctionner ces dispositifs à OdS sous de forts courants de spin. Cela sera obtenu en exploitant :

- les concepts de la magnonique sur la nanostructuration périodique, pour contrôler le spectre de propagation des magnons et lever la dégénérescence entre OdS susceptibles de participer aux effets non-linéaires.
- les concepts de la spintronique sur le transfert de spin associé aux couples spin-orbite (SOT), pour diminuer/augmenter la relaxation des OdS en fonction de la polarité d'un courant électrique injecté dans une couche métallique adjacente.

L'objectif principal est de démontrer la manipulation d'OdS cohérentes de fortes amplitudes dans les dispositifs magnoniques, ce qui permettrait d'augmenter leur signal de sortie. Pour cela, trois moyens différents d'exciter les magnons dans le régime fortement hors d'équilibre seront comparés :

i) une excitation harmonique (RF) classique, où les règles de sélection imposent la fréquence et la symétrie spatiale des OdS.
ii) une excitation statique (dc) SOT, qui augmente/diminue la population de toutes les OdS (pas de règle de sélection).
iii) en combinant ces deux excitations, i.e., l'amplification stimulée par SOT dc d'OdS excitées par la RF.

Avec (i), le but est d'atteindre une dynamique de très grande amplitude dans des nanostructures de YIG et d'étudier sa stabilité, puis de propager des OdS de fortes amplitudes dans un cristal magnonique conçu à partir de ces résultats. Avec (ii), le but est de stabiliser une auto-oscillation de forte puissance sous pompage dc, en jouant sur le couplage non-linéaire entre magnons. Un autre but est d'étudier comment le pompage dc altère la distribution en énergie des magnons, du bas de la bande (GHz) jusqu'aux magnons thermiques (THz), et l'opportunité de générer des solitons et même un condensat de Bose-Einstein, comme prédit récemment dans des conditions spécifiques. Avec (iii), l'objectif est de repousser, voire supprimer la saturation non-linéaire de l'amplification des OdS par SOT, et de quantifier les performances d'une ligne à retard basée sur cette idée. Ultimement, cet effort devrait permettre la conception de nouveaux composants micro-ondes compacts et intelligents répondant à l'évolution à long terme des télécoms.

Pour atteindre les objectifs ambitieux de Maestro, son consortium (CEA-SPEC, CEA-SPINTEC, CNRS-UMf, UBO-LabSTICC) réunit toute l'expertise nécessaire sur la dynamique de l'aimantation, la croissance de couches ultra-minces de grenats et la mise au point de leurs propriétés, la nanofabrication, les méthodes expérimentales pour sonder la dynamique spatio-temporelle des OdS, et les simulations micromagnétiques, pour concevoir, fabriquer, caractériser, modéliser et optimiser des dispositifs magnoniques.

Coordinateur du projet

Monsieur Grégoire DE LOUBENS (Service de physique de l'état condensé)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Lab-STICC UBO Laboratoire des Sciences et Techniques de l'Information, de la Communication et de la Connaissance
UMPhy Unité mixte de physique CNRS/Thalès
SPINTEC Spintronique et Technologie des Composants
SPEC Service de physique de l'état condensé

Aide de l'ANR 532 351 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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