Exploitation du couplage magnéto-élastique pour conférer ajustabilité et non-réciprocité à des dispositifs rf à ondes acoustiques de surface – MAXSAW

Les signaux rf sont omniprésents dans notre société connectée. Les filtres à ondes acoustiques (AW) de surface y sont largement utilisés pour la séparation de signaux à différentes fréquences, mais leur performance décroît au-delà de 5 GHz. Une solution est l’exploitation d’ondes acoustiques guidées dans des films de LiNbO3 epitaxiés sur saphir, modes qui sont adéquats et énergétiquement efficaces à de plus hautes fréquences. Malheureusement, malgré les succès des technologies rf à base d’ondes acoustiques, deux limitations inhérentes persistent. (i) Une fois la géométrie et le matériau spécifiés, la fréquence de travail d’un dispositif acoustique ne peut plus être ajustée. Quand plusieurs bandes de fréquences sont nécessaires, un nombre équivalent de dispositifs acoustiques est requis. (ii) En outre, les ondes acoustiques sont réciproques : l’énergie se propage de la même façon vers l’avant et vers l’arrière, de sorte que l’entrée d’un dispositif rf acoustique ne peut pas être facilement isolé de la sortie, alors que ce serait généralement souhaité pour tout traitement de l’information.

Les ondes de spin (SW) sont les excitations élémentaires de l’aimantation. Elles ont une physique riche, linéaire et non-linéaire, et se prêtent aussi naturellement à la miniaturisation que les AW. Leur relation de dispersion peut être conçue à la demande, et ajustée par la suite par des champs magnétiques ou du transfert de spin. Dans certaines configurations, les ondes de spin peuvent être fortement non-réciproques.

L’hypothèse fondatrice de MAXSAW est qu’en couplant AW et SW, on pourra contourner les limitations intrinsèques des ondes acoustiques : par une recherche entre sciences des matériaux, magnétisme, acoustique et ingénierie hyperfréquence, le projet MAXSAW exploitera l’ajustabilité en fréquence et la non-réciprocité des ondes de spin (SW) en les couplant à des AW guidées pour conférer des fonctionnalités supplémentaires à des filtres rf à l’état de l’art. La capacité à manipuler les relations de dispersion à la fois des AW et des SW va permettre de mettre en synergie leur vecteur d’onde, leur fréquence et leur vitesse de groupe. Ce dernier point, nouveau, s’ajoutera au fort confinement de l’énergie acoustique près de son interface avec le milieu portant les SW, pour assurer une hybridation entre AW et SW, garantissant l’existence de résonance magnéto-élastiques exploitables et ce même quand la magnétostriction qui couple AW et SW est faiblarde.

Le Graal de MAXSAW serait de démontrer des composants rf ayant des fonctionnalités originales : cela inclut des lignes à retard ajustables, des isolateurs large bande compacts et des filtres ajustables, tous potentiellement adaptés aux standards de la 5G, avec les opportunités de valorisation afférentes. Pour atteindre ses objectifs, MAXSAW est structuré en 4 paquets de travail. Le premier paquet (WP1) vise à définir le milieu de propagation optimal pour les ondes hybrides, et ce en maximisant la coopération entre AWs et SWs. Le deuxième paquet (WP2) s’attellera à la réalisation de ce milieu de propagation, en co-intégrant matériaux acoustiques et couches minces magnétiques dédiées. Le WP3 sera dédié à la conception et à la réalisation de transducteurs augmentés adaptés aux spécificités du milieu de propagation. Enfin, le dernier paquet (WP4) fera la démonstration des nouveaux dispositifs rf rendus possibles par le couplage fort entre AWs et SWs.

Pour mettre en œuvre MAXSAW, le consortium s’appuiera sur l’expertise en matière de dispositifs rf acoustiques de FEMTO-ST (Pr. Bartasyte), en matière de dynamique d’ondes de spin du C2N (T. Devolder), de leur couplage mutuel (INSP, équipe de Laura Thévenard) et des matériaux magnétiques avancés (CEA-SPEC, groupe de Grégoire de Loubens), le tout complémenté par le support de l’industriel Frec|n|sys en tant que sous-contractant.