Département micro-ondes (MO) - Spintronique et Magnonique

​Thématiques

Les ondes de spin -ou leur quanta d’énergie les magnons- sont les excitations élémentaires de l’aimantation d’un matériau ferromagnétique. La grande richesse de leurs propriétés dynamiques finement ajustables sur une large gamme du domaine micro-onde (1-50 GHz) ouvre de nouvelles perspectives d’applications en rupture avec l’électronique conventionnelle.

En premier lieu, la propagation de magnons s’opérant sans mouvement de charge laisse présager une réduction signifiante des pertes par chauffage Joule. De plus, les longueurs d’ondes des magnons nettement plus petite que les longueurs d’onde électromagnétiques, ainsi que la non-réciprocité de leur relations de dispersions (i.e. f (k) ≠ f (−k)) apportent une alternative sérieuse pour la miniaturisation des dispositifs micro-ondes traditionnels tel que les isolateurs, circulateurs, ligne à retards, et l’analyse spectrale. Enfin, de nouveaux concepts de logique non-booléenne, de traitement parallèle de données, ou d’informatique neuromorphique apparaissent en tirant parti du caractère ondulatoire des magnons.

Projet de recherche

L'activité spintronique/magnonique au département micro-onde pour objectif le développement de nouvelles approches basées sur la dynamique de spin pour le traitement et le transfert de l'information combinant à la fois haute performance et efficacité énergétique.

• Magnonique quantique

Au cours de la dernière décennie, des systèmes quantiques offrant de nouvelles capacités de calcul et de détection ont vu le jour. Un de ces systèmes hybrides prometteurs implique l'interaction cohérente entre les photons de la cavité micro-onde et la résonance collective des ondes de spin (quantifiée sous forme de magnon), qui fournit une nouvelle voie pour transmettre et traiter les informations.
Ce système se caractérise par une grande capacité d'accord, de longs temps de cohérence, d’un niveau de couplage important, tout en offrant la possibilité de se coupler à une multitude d’autres systèmes, y compris des qubits.

Nos travaux sont axés sur la construction d'un système hybride quantique entièrement contrôlable dans lequel chaque degré de liberté peut être manipulé de l'extérieur et lu électroniquement. Grâce à cette capacité, une série de technologies quantiques peuvent être explorées en utilisant une transduction efficace pour des applications telles que la téléportation de spin, le stockage et la récupération de spin et la génération d'états non classiques. 

Cavité imprimée en 3D et métallisée par ELLIPTIKA dans le cadre du projet YCAR3D (Région Bretagne).  La forme des plots permet de générer un champ magnétique hyperfréquence homogène sur l’échantillon de YIG placé entre les deux plots. Design de cavité adaptée pour la mise en évidence d’un « Deep Strong Coupling (DSC) »

• Interférence en champ proche d'ondes de spin

Ce projet s’intéresse à la formation de faisceaux d’onde de spin dans des couches continues. Il a récemment été démontré que l’émission focalisée d’onde de spin à partir de constrictions dans des guides d’onde coplanaire résultait des concepts de diffraction en champ proche similaires à ceux de l’optique [1]. Un modèle d’interférométrie d’onde de spin pour tout type de mode est en cours d’élaboration [2]. Il servira à identifier les géométries d’antennes à ondes de spin présentant les effets de concentration et d’extinction les plus notables. Cette étude vise à élaborer des interféromètres à ondes de spin de taille sub-micrométriques.

a) Image de microscope électronique à balayage d’un dispositif d’interférence à onde de spin. b) Simulation du patron d’interférence correspondant pour des modes isotropes.

Moyens

• Résonance ferromagnétique 

Pour la caractérisation de couches minces et l’étude des cavité hybrides, un banc de mesure en résonance ferromagnétique (FMR) large bande (1-40 GHz) composée d’un électroaimant Lakeshore EM7-HV avec des pôles de 60mm et un entrefer variable de 5 mm à 133.5 mm alimenté par une Danfysik bipolaire 9700-6 kW (+/-100A, +/-60A) permettant d’appliquer des champs jusqu’à 2.25 T à 70 A dans un entrefer de 1.5 cm.

 
a) Electro-aimant EM7-HV. b) Courbe de champ pour différents entrefers.

• Ingénierie des cavités ajustable

Le contrôle de la fréquence de fonctionnement des cavités est crucial pour réussir à mettre en évidence la téléportation de spin d’un échantillon magnétique à un autre. Cette étape nécessite que la reconfiguration se fasse par un contrôle électrique et rapide (inférieur à la microseconde). Avant d’arriver à ce niveau de complexité, nos premières études [5] se sont porté sur des cavités reconfigurable mécaniquement (plots interne ajustable en hauteur). Le contrôle du gap entre les plots internes et le capot de la cavité permet de profiter d’une plage de fréquence de 1 à 8 GHz. Cette cavité unique nous a permis de valider la dépendance en fréquence du couplage. Sur la base de cette compréhension, nous pouvons dorénavant calculer les valeurs de couplage à partir des seules simulations, ce qui permet de concevoir avec précision les futures expériences avec des cavités exotiques, sans limitation sur la géométrie d'échantillon et des cavités. Nous avons remplacé la mécanique des plots par un contrôle électrique du capot de la cavité par une génératrice de pression (voir Fig ci-dessous).

Dépendance de la fréquence en fonction de la pression atmosphérique [6]. La pression est générée et contrôlée électriquement par un micro-souffleur de muRata. La cavité utilisée pour l'expérience est la même que celle de la Réf. [5] et présente une plage de réglage similaire pour les deux modes (lignes pointillées extraites de [5])

• spectroscopie d'ondes de spin (en cours de développement)

La mesure inductive large-bande de la dynamique non-uniforme de l’aimantation est une technique de prédilection pour étudier les propriétés de propagation d’ondes de spin à des dimensions sub-micrométriques [3,4]. Elle consiste à venir coupler deux lignes de transmission lithographiées en terminaisons de tailles nanométriques à une couche mince ferromagnétique, chacune des terminaisons agissant comme une antenne d’émission ou de réception très sensible pour les ondes de spin. Une station de spectroscopie d’ondes de spin est en construction au département MO. Elle implémentera un électro-aimant planaire confiné confectionné à l’IMT qui s’inséra dans une station sous pointe Karl Süss PM-8, et qui sera alimenté par une bipolaire kikusui PBZ 400W (+/-60V, +/-6.7A) pour produire un champ jusqu’à 1.4T dans un entrefer de 6mm.

Station sous pointe PM-8

Shéma de la technique de spectroscopie d'ondes de spin

Références

[1] N. Loayza, M. B. Youngfleisch, A. Hoffmann, M. Bailleul, V. Vlaminck, Fresnel diffraction of spin waves, Phys. Rev. B 98, 144430 (2018).
[2] V. Vlaminck, N. Loayza, V. Castel, D. Stoeffler, M. Bailleul, Near field diffraction of spin waves, hal-02310439, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02310439.
[3] V. Vlaminck and M. Bailleul, “Spin-wave transduction at the submicrometer scale: Experiment and modelling”, Phys. Rev. B 81, 014425 (2010).
[4] V.Vlaminck, M. Bailleul, “Current induced spin wave Doppler shift”, Science 322, 410 (2008)
[5] J. Bourhill, A. Manchec, G. Cochet et V. Castel, «Universal Characterisation of Cavity--Magnon Polariton Coupling Strength Verified in Modifiable Microwave Cavity,» Under Review, p. arXiv:1910.08333, 2020.
[6] J. Bourhill, A. Manchec, G. Cochet et V. Castel, «Electrical tuning of a double post re-entrant cavity ensured by the deformation of the cavity lid with pressurized air,» April 2020.

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Vincent Castel         Vincent Vlaminck