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

In a first step, we have enhancing the magneto-elastic cooperativity in the propagating medium. This included the modelling/engineering of the dispersion relations of the acoustical parts (mass loaded with the elastic magnetic overlayers) and of the spinwave parts. In a second step WP2, we have grown the acoustic materials and customized the magnetic materials. Beside the growth, this has also included the unavoidable material optimization encountered when different classes of materials need to be brought together. In a third step, we have developed non-reciprocal transducers matched to the propagating medium. In addition to getting a non-reciprocal propagating medium, we have modelled the non-reciprocity of the transduction mechanism. Finally, we have evaluated archetypal rf applications of non-reciprocal spin waves on pieroelectric substrates.

We have progressed on the understanding of non-reciprocity, especially in synthetic antiferromagnets where we have demonstrated the Unidirectional character of the spin using propagating spin wave spectroscopy, Brillouin light scattering and modeling.

We have shown that this property is maintained when the synthetic antiferromagnet is grown on a piezoelectric substrate, and that the non-reciprocal waves can be channeled in micron-sized conduits.

Meanwhile, we have benchmarked the magneto-acoustic transduction with the inductive transduction in the forced regime and in the noise regime. We have successfully induced spin waves in vortex dots by submitting to surface acoustic waves. We have also evidenced the specific symmetry of the coupling between surface acoustic waves and spin waves in synthetic antiferromagnets.

Finally we have progressed on the materials by understanding the dispersion relations of surface elastic waves on Z-LiNbO3 films on Z-sapphire, the exchange energies in Synthetic Antiferromagnets and the way to tailor their anisotropy.

The results of MAXSAW open the possibility to use the specific features of spin-waves –broadband capability and inherent non-linearity– to confer non-linearity functionalities to state-of-the-art SAW-based microwave devices. This will enable the design of microwave power limiters and local-oscillator-free frequency-converting devices on a surface acoustic wave platform technology.

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.