Reservoir computing avec des magnons – MARIN

Les matériaux utilisés dans le cadre du projet MARIN sont les grenats de fer et les alliages d’Heusler. Ces matériaux ont été choisis du fait de leur faible amortissement de l’aimantation qui se traduit par de faibles seuils d’excitation non-linéaires. Ces matériaux sont par ailleurs respectivement isolant et demi-métallique ce qui leur confèrent différentes possibilités d’intégration dans des dispositifs de la spintronique. La croissance épitaxiale de ces matériaux a été réalisée et optimisée pour permettre la structuration latérale des échantillons ainsi que leur réponse optique. La structuration latérale a nécessité des optimisations des processus de gravure pour atteindre des tailles latérales jusqu’à 300 nm.

Les échantillons fabriqués ont consisté en deux familles : des échantillons pour l’études des onde spin propagatives dans les régimes linéaire et non-linéaire essentiellement à base d’Heusler Co2MnSi et des échantillons pour l’étude des processus non-linéaires mis en jeu dans les excitations de modes confinés essentiellement à base de grenat de fer (BiYIG). Ces études expérimentales ont reposé sur l’utilisation de trois méthodes de spectroscopie : (i) la spectroscopie inductive des ondes de spins propoagatives, (ii) la spectroscopie MRFM des ondes de spin confinées et (iii) la spectroscopie Brillouin microfocalisée pour l’étude des ondes de spin propagatives et confinées.

L’analyse de ces mesures a été complétée par des simulations micromagnétiques et des modèles analytiques pour interpréter, expliquer les résultats expérimentaux obtenus.

Croissance épitaxiale et fabrication

Les matériaux de type Heusler ont été optimisés pour permettre une fabrication de structures confinées latéralement tout en préservant les propriétés intrinsèques des matériaux. Les grenats de fer ont quant à eux été optimisés par un ajustement fin d'un dopage en bismuth pour contrôler d'une part l'anisotropie magnétocristalline du matériau et aussi pour augmenter la rotation Faraday du matériau aux longueurs d'onde optiques utilisées en spectroscopie Brillouin à 532 nm. La fabrication des échantillons a ainsi permis de réaliser des nanostructures avec des dimensions latérales allant jusqu'à 300 nm. Les dispositifs dédiés aux ondes de spin propagatives ont été réalisés sous la forme de canaux rectilignes tandis que ceux dédiés aux ondes de spin confinées l'ont été sous la forme de disques et d'ellipses.

Spectroscopie d’ondes de spin propagatives

Les ondes de spin propagatives ont été étudiées dans les régimes linéaire et non linéaire, essentiellement dans les dispositifs à base d'Heusler, par spectroscopie inductive et par spectroscopie Brillouin focalisée. Les études de résonance ferromagnétique en température ont permis d'étudier la variation en température des propriétés micromagnétiques du matériau, révélant notamment une influence des contraintes induites par le substrat et que l'amortissement augmente aux basses températures du fait de l'interaction électron-magnon. La spectroscopie d'ondes de spin par induction a permis de déterminer la polarisation en spin de 100 % confirmant le caractère demi-métallique après fabrication. En outre, le paramètre de non-adiabaticité du couple de transfert de spin a pu être déterminé du fait du faible amortissement, et cette valeur est élevée à 40 fois celle de l'amortissement. Par ailleurs, la spectroscopie Brillouin a été utilisée pour étudier les processus non-linéaires mis en jeu dans ces mêmes dispositifs. Un très faible seuil de non-linéarité a été mesuré confirmant le faible amortissement de ces matériaux, seuil qui correspond à une interaction à 4 ondes de spin, deux ondes de spin interagissant pour produire deux nouvelles ondes de spin.

Spectroscopie d’ondes de spin confinées

Les dispositifs de grenat de fer ont été étudiés par spectroscopies MRFM et Brillouin focalisée. Ces études ont montré qu'il existe dans ces échantillons une grande diversité de processus mis en jeu dans le régime non-linéaire, que le système soit dans un état uniforme ou dans un état vortex. Ainsi, les processus usuels à 3 ondes de spin et 4 ondes de spin ont bien été observés à de faibles valeurs de seuil d'excitation en fonction de l'état micromagnétique. D'une façon plus originale, ces études ont également montré que d'autres processus d'auto-oscillations, de Floquet existent ainsi que des processus collaboratifs ou concurrentiels en fonction de l'état micromagnétique stabilisé et de la fréquence et de la puissance d'excitation.

Malgré les difficultés liées à la croissance et à la structuration latérale des matériaux épitéxiés, nous avons pu tirer profit des propriétés remarquables en terme d'amortissement dans des nanostructures de spintronique spécifique pour les ondes de spin. Notamment, dans le cas des Heusler, le faible amortissement combiné à une polarisation en spin à 100 % au niveau de Fermi et à un terme de non-adiabaticité du couple de transfert de spin permettront peut-être d'envisager un couplage efficace des effets de la spintronique pour contrôler les ondes de spin et plus spécifiquement les seuils de non-linéarité par exemple. D’autre part, les compréhensions fines d’une grande variété de processus non-linéaires mis en jeu dans un disque de grenat de fer unique, auto-modulation, cascade de processus à 3 magnons ou encore les bandes de Floquet telles que démontrées par certains membres du consortium dans le cadre d’un autre projet européen, permettent d’envisager un emploi des ondes de spin pour un traitement non-booléen de l'information. Les maitrises acquises tant en terme d'expérience de spectroscopie d'ondes de spin non-linéaires que de croissance et fabrication d'échantillons pourront être utilisées dans des projets futurs, par exemple en couplant les ondes de spin à d’autres degrés de liberté existants dans la physique du solide.

À la surface d'un lac, dans les motifs colorés des halos et des couronnes de l'atmosphère, ou sous forme de franges dans les ondes optiques ou gravitationnelles, l'interférence des ondes est un phénomène qui joue un rôle important dans notre vie quotidienne. Elle nous permet d'aborder les questions les plus complexes. Mais qu'en est-il du calcul ? Si nous prenions un seau d'eau dans lequel on laisse tomber une série de galets de poids différents. En observant les schémas d'interférence résultants, qui contiennent des informations sur les événements passés et présents, pouvons-nous déduire la séquence originale de ces galets ? La réponse est oui ! On sait que l'interférence des ondes de l'eau peut être un moyen efficace pour une «liquid state machine», un exemple du paradigme neuro-inspiré de l'informatique des réservoirs. Ici, les cailloux représentent une forme d'onde temporelle complexe, tel un signal vocal ; pour reconnaître de tels signaux, il faut non seulement connaître les fréquences constitutives, mais aussi l'ordre dans lequel elles arrivent. Nous proposons d'utiliser les ondes de spin, excitations élémentaires des systèmes magnétiques, comme une nouvelle implémentation de calcul de réservoir à l'échelle submicronique. En raison de leurs non-linéarités intrinsèques et de leur capacité à se coupler à des phénomènes de transport, nous envisageons des tâches avancées de reconnaissance de formes dans des dispositifs magnoniques à des fréquences de l'ordre du GHz.
Avec le projet MARIN, nous visons à réaliser expérimentalement un tel calculateur de réservoir magnonique. Le projet MARIN étudiera expérimentalement et théoriquement la capacité des SW en couches minces micro et nanostructurées à satisfaire les trois exigences de base du calcul de réservoir, à savoir (i) l'approximation - si des entrées similaires donnent des sorties similaires ; (ii) la séparabilité - si des classes d'entrées distinctes donnent des classes de sorties distinctes ; et (iii) l'évanouissement de la mémoire - à quelle vitesse les entrées sont oubliées au fil du temps. Le mécanisme de contrôle de base est le couplage non linéaire entre les SW, qui permet aux modes propres orthogonaux de l'état d'équilibre d'interagir les uns avec les autres à mesure que leurs amplitudes augmentent. Comme ce couplage implique également des événements de seuil, comme pour le dopage des neurones, nous pouvons réaliser des tâches de calcul de nature cognitive comme la classification. Cela sera appliqué pour démontrer la reconnaissance avancée des signaux, par exemple sur des séries chronologiques, comme première étape vers une preuve de concept d'opérations analogiques non booléennes efficaces.
Deux matériaux seront utilisés : les films de YIG épitaxiés et les films minces d'alliages d'Heusler épitaxiés qui présentent tous deux un très faible amortissement magnétique intrinsèque nécessaire à l'excitation des ondes de spin dans le régime non linéaire. Le transfert d'énergie controlé de manière déterministe d'une onde de spin non linéaire à une autre, au cœur du schéma de calcul du réservoir envisagé, sera étudié théoriquement par des simulations micromagnétiques dans l'espace réel et réciproque et expérimentalement par la spectroscopie inductive des ondes de spin, la microscopie à force de résonance magnétique et la diffusion Brillouin de la lumière microfocalisée. Deux réalisations différentes de ces analyses de séries temporelles sont proposées comme dispositifs de validation de principe : (i) un analyseur spectral qui effectue une transformation de Fourier des ondes de spin sur puce et (ii) un classificateur de signaux qui, dans un premier temps, sera conçu pour trier les ondes sinusoïdales des ondes carrées dans le régime des GHz. Cela permettra une nouvelle mise en œuvre matérielle de l'informatique de réservoir qui repose sur le concept de «liquid state machine» aux fréquences de GHz, ce qui pourrait être utile pour le traitement des signaux de télécommunications.