Contrôle électrique des fréquences de modes couplés acoustique/onde de spin – ElecAcouSpin

Le projet ELECACOUSPIN repose sur une approche multidisciplinaire associant physique des matériaux, magnétisme, mécanique et modélisation numérique. Son objectif est de comprendre et de maîtriser les interactions entre les propriétés mécaniques et magnétiques des matériaux afin de contrôler la propagation des ondes de spin.

Sur le plan expérimental, des couches minces et des nanostructures magnétiques sont élaborées puis caractérisées à l'aide de techniques complémentaires. La spectroscopie Brillouin permet d'étudier la propagation des ondes de spin avec une grande précision, tandis que la résonance ferromagnétique fournit des informations sur leurs propriétés dynamiques. Des méthodes de micro- et nanofabrication sont également utilisées pour réaliser des architectures magnétiques adaptées à l'étude des effets de confinement et de périodicité.

Le contrôle des propriétés magnétiques est obtenu en appliquant des contraintes mécaniques au moyen de matériaux piézoélectriques, qui se déforment sous l'effet d'une tension électrique. Cette stratégie permet de modifier les propriétés des matériaux magnétiques sans recourir à des champs magnétiques externes, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs plus économes en énergie.

En parallèle, des simulations multiphysiques sont développées afin de coupler les phénomènes mécaniques et magnétiques. Elles permettent de calculer la distribution des contraintes dans les matériaux, d'évaluer leur influence sur les propriétés magnétiques et de prédire la propagation des ondes de spin dans des géométries complexes. Les résultats numériques sont systématiquement confrontés aux observations expérimentales afin de valider les modèles et d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu.

Cette complémentarité entre expériences et simulations permet d'explorer de nouvelles stratégies de contrôle des ondes de spin et d'identifier des architectures prometteuses pour le développement de futurs composants magnoniques reconfigurables, performants et à faible consommation énergétique.

Le projet ELECACOUSPIN a permis de démontrer que les contraintes mécaniques constituent un moyen efficace de contrôler les ondes de spin dans les matériaux magnétiques. Les travaux expérimentaux et numériques ont mis en évidence l'influence du couplage magnétoélastique sur la fréquence, la propagation et les propriétés des excitations magnétiques, ouvrant de nouvelles perspectives pour le développement de composants reconfigurables à faible consommation d'énergie.

Le projet a conduit au développement de modèles multiphysiques originaux couplant mécanique et micromagnétisme, permettant de prédire avec précision l'effet des déformations sur la dynamique magnétique. Ces modèles ont été validés expérimentalement grâce à des mesures de spectroscopie Brillouin et de résonance ferromagnétique.

Les recherches ont également montré qu'il est possible de modifier la structure de bandes de cristaux magnoniques par l'application de contraintes élastiques, offrant un nouveau degré de liberté pour contrôler les propriétés des ondes de spin. Les effets de contraintes hétérogènes et de géométries complexes sur la dynamique magnétique ont également été étudiés, mettant en évidence de nouveaux mécanismes de contrôle des excitations magnétiques.

Au-delà des résultats scientifiques, le projet a permis de développer de nouvelles compétences en modélisation multiphysique, de renforcer des collaborations nationales et internationales et de consolider une thématique de recherche à l'interface entre magnétisme, mécanique et matériaux fonctionnels. Les travaux réalisés ont donné lieu à une thèse de doctorat, plusieurs publications dans des revues internationales de premier plan et de nombreuses communications lors de conférences scientifiques.

Les connaissances acquises constituent aujourd'hui une base solide pour poursuivre le développement de dispositifs magnoniques innovants, capables de contribuer aux futures technologies de traitement de l'information, de calcul et de communication à faible consommation énergétique.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet ELECACOUSPIN ouvrent plusieurs perspectives de recherche et de développement. Les méthodes expérimentales et les outils de modélisation développés pourront être étendus à de nouveaux matériaux magnétiques, à des architectures tridimensionnelles et à des systèmes flexibles ou courbes, afin d'explorer de nouveaux mécanismes de contrôle des ondes de spin.

À plus long terme, ces travaux contribueront au développement de composants magnoniques reconfigurables, dans lesquels les propriétés des ondes de spin pourront être pilotées électriquement grâce aux contraintes mécaniques. Cette approche pourrait permettre de concevoir des dispositifs de traitement, de transmission et de stockage de l'information plus sobres en énergie que les technologies électroniques actuelles.

Le projet a également permis de structurer une activité de recherche pérenne autour des couplages magnétoélastiques et de la magnonique au sein du laboratoire. Les compétences acquises et les collaborations développées serviront de base à de nouveaux projets nationaux et internationaux visant à repousser les limites du contrôle des excitations magnétiques dans les matériaux fonctionnels.

Le projet ElecAcouSpin a pour objet général l'étude des propriétés de cristaux magphoniques, contrôlées électriquement. Ces cristaux artificiels sont des réseaux de nanostructures nécessairement magnétiques caractérisés par une période spatiale leur conférant des propriétés acoustiques et magnétiques particulières. En effet, le fait que cette période soit de l'ordre de grandeur des longueurs d'ondes acoustiques et de spins (quelques centaines de nanomètres) induit une structure de bande dans les relations de dispersions correspondantes, propriété qui peut trouver un certain nombre d'applications pour des systèmes multicanaux dans le domaine des radio-fréquences.
Toutefois, il est important de pouvoir contrôler la gamme de fréquences autorisées et interdites, cela passe par le contrôle d'au moins une des deux structures de bandes (acoustique ou magnétique) ainsi que de leur couplage (magnon-phonon) qui peut altérer la structure globale. Dans le projet ElecAcouSpin, nous proposons de fabriquer des cristaux magphoniques sur substrats ferroélectriques (PZN-PT) et de contrôler les bandes magnoniques par l'application d'un champ électrique. En effet, ce dernier aura pour conséquence de provoquer des déformations dans le substrat, transmises au cristal magphonique. Ainsi un couplage magnétoélastique statique permettra de modifier les fréquences des modes magnétiques et de potentiellement les faire croiser avec les modes acoustiques. Ainsi nous visons in fine à étudier, sans l'application de champ magnétique, les couplages fondamentaux entre bandes magnoniques et acoustiques, ce qui n'a pas encore été accompli expérimentalement mais prévu théoriquement.
Pour accomplir cet objectif, la nanofabrication de cristaux magphoniques (CoFeB) aux géométries très variées, allant du simple cristal 1D aux cristaux 2D complexes, sera effectuée par lithographies optique et électronique en collaboration avec le groupe du professeur Adekunle Adeyeye de la National University of Singapore. Les propriétés dynamiques de ces cristaux seront étudiés par spectroscopie Brillouin pour ce qui concerne les modes propagatifs acoustiques et magnétique, ou par résonance ferromagnétique pour l'étude des modes magnétostatiques. Les effets comparés de champs magnétiques appliqués ou de champ magnétoélastique induits électriquement par le substrat de PZN-PT seront ainsi quantifiés. Nous prêterons une attention particulière aux effets d'hétérogénéités du champ magnétoélastique liés à la nanostructuration latérale. Le couplage magnon-phonon sera ensuite étudié par spectroscopie Brillouin, et aura pour but de quantifier son effet sur la structure de bandes globale (phononique et magnonique). Enfin, la modélisation des structures de bandes et de leur couplage, à partir des données d'entrées expérimentales (géométrie, déformation du substrat, ...), sera réalisée en introduisant l'aspect périodique des grandeurs caractéristiques (aimantation, déplacement, ...). Cet outil de modélisation par éléments finis servira de plus à anticiper sur les géométries les plus à même de mettre en évidence expérimentalement ce phénomène de croisement et d'interaction des bandes.
La preuve expérimentale du contrôle électrique simultané des bandes magnonique et phononique via leur couplage ouvrirait une voie inédite vers des dispositifs micro-ondes multicanaux contrôlés pour le transport de l'information dans les domaines liés aux télécommunications.