Hybridation entre Résonances Acoustique, Magnon et Photon dans le YIG. – Harmony

Les technologies de l'information sont à l'aube d'une nouvelle révolution déclenchée à la fois par l'émergence d'une nouvelle génération de technologies sans fils et la promesse de nouveaux paradigmes grâce aux ordinateurs quantiques. Ce développement comprend également l'introduction de nouveaux matériaux pour une technologie post-CMOS qui offrent une dissipation ultra faible dans la gamme hyperfréquence, tout en restant compatibles avec l'intégration et la nano-fabrication. Nous pensons que les grenats magnétiques, avec une longue histoire d'amélioration des performances des dispositifs micro-ondes ou optiques, sont des candidats idéaux pour exécuter certaines fonctions à haute vitesse. Pour le démontrer, HARMONY fournira une preuve de principe sous la forme d'un convertisseur intégré entre photon, magnon et phonon opérant à des fréquences micro-ondes.
La difficulté principale qui a jusqu'à présent entravé le développement de films minces de grenat d’yttrium fer (YIG) pour des solutions intégrées est que leur croissance épitaxiale ne pouvait être obtenue que sur des substrats de grenat de gadollinium gallium (GGG). Cependant, tant pour les photons que pour les phonons, le substrat GGG doit être considéré comme un milieu adapté qui permet à l'énergie de l'oscillateur de s’échapper et par conséquent qui empêche le confinement de l'oscillation au sein de la seule couche YIG. Pour surmonter ce problème, un nouveau procédé développé par le groupe de G. Schmidt à Halle a permis de fabriquer des leviers en YIG de taille micrométrique avec de très grands temps de vie pour les magnons, réduisant ainsi considérablement les fuites d'énergie par le substrat. Ces nouveaux objets ont le potentiel de changer la donne pour les composants télécoms frontaux à haute fidélité fonctionnant dans la gamme des GHz. Ils pourraient également fournir de nouveaux outils pour l'échange d'informations quantiques entre des Q-bits distants fonctionnant également aux fréquences GHz.
HARMONY amorcera une percée technologique en fournissant une voie de développement viable pour l'interconversion cohérente de l’information entre photon-magnon-phonon sur une puce. Il s'appuie sur le processus d'hybridation tripartite à l'intérieur de grenats magnétiques qui utilise 3 résonances imbriquées d'une finesse croissante. HARMONY se concentre sur la fabrication de micro-structures en YIG suspendues pour résoudre 3 barrages technologiques: i) fournir un schéma efficace pour exciter les phonons GHz par des effets magnéto-élastiques grâce au co-accord de 3 cavités; ii) améliorer l'efficacité énergétique avec un matériau à très faible perte isolé du substrat pour une finesse maximale et iii) mettre en œuvre cela dans un dispositif intégré sur puce.
L'objectif du projet HARMONY sera d'évaluer dans un délai de 3 ans, comment ces structures de grenat suspendues se comportent comme des transducteurs hyperfréquences. Le projet est conçu comme une collaboration entre le groupe de Spintec, Néel et Halle car les apports des trois nœuds sont nécessaires à sa réalisation. Alors que le couplage des magnons aux photons micro-ondes à basse température sera principalement réalisé en Allemagne, le couplage des magnons aux phonons sera réalisé en France. Le micropatterning et le dépôt de YIG sont localisés de manière unique à Halle tandis que les simulations micromagnétiques et la conception de résonateurs ainsi que la caractérisation de toutes les structures par microscopie avec la résonance magnétique à température ambiante seront effectuées à Spintec et appariées à des études opto-mécaniques à Néel sur le profil spatio-temporel de vibration.
La suite envisagée du projet HARMONY est d'étendre le concept de couplage cohérent à l'enchevêtrement avec des modes de galerie optiques dans la gamme télécom.