Circuits magnoniques à base de YIG ultra-mince nanostructuré pour les applications hyperfréquences

Magnonic circuits based on nanostructured ultra-thin YIG for radiofrequency applications

• Auteur / Autrice : Hugo Merbouche
• Direction : Abdelmadjid Anane, Paolo Bortolotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/05/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : André Thiaville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Laura Thevenard, Matthieu Bailleul, Vincent Cros, Stéphane Mangin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Laura Thevenard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Spintronique

Ondes de spin

Magnons

Mots clés libres

Magnonique

Electronique de spin

Ondes de spins

Couple de spin orbite

SOT

YIG

Magnonic

Spintronic

Spin waves

Spin-orbit torque

SOT

YIG

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la génération, la propagation et la détection d’ondes de spins dans des nanostructures élaborées à partir de couches ultra-minces (quelques nanomètres d’épaisseur) de Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) et un de ses variant dopé (BiYIG). Le but est de permettre le développement de dispositifs pour le traitement des signaux hyperfréquences, basés sur les ondes de spins. Deux objectifs ont été poursuivis en parallèle : 1.Apporter une meilleure compréhension des dispositifs magnoniques hyperfréquence pour des application analogiques tel que les filtres ou les lignes à retard. 2.Explorer la physique du couple orbital de spin (SOT) appliqué aux ondes de spins progressives et comprendre les effets non-linéaires qui ont jusqu’à présent empêchés la réalisation d’un dispositif efficace d’amplification des ondes de spins. Ce travail repose sur les études démontrant que les effets spin-orbite dans les microstructures YIG|Pt constitue un puissant paradigme pour le control de la propagation et de l'émission d'ondes de spins. Il s’appuie également sur l’expertise développée au laboratoire dans la croissance de couches ultra fine épitaxiées de YIG, élaborées par ablation laser pulsée (PLD). Plus récemment, des couches ultra-minces de YIG dopé au Bismuth (BiYIG) ont été développées. L’introduction du Bi induit une forte anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), tout en préservant les excellentes propriétés dynamiques du YIG. Le Bi augmente également fortement la rotation Faraday et, par conséquent, améliore d’autant la sensibilité des méthodes d'imagerie directe, telle que la microscopie à diffusion Brillouin (BLS). Ces avancées importantes sur l'aspect matériaux ont ouvert de nouvelles possibilités pour la réalisation de dispositifs magnoniques. En effet, la micro-fabrication du YIG est désormais possible. Par ailleurs, le BiYIG, avec son anisotropie accordable et son fort couplage magnéto-optique, s'est rapidement imposé durant ma thèse comme un matériau parfaitement adapté à l’exploration des effets SOT. Au cours de cette thèse, des dispositifs analogiques ont été fabriqués à l'aide de techniques standard de nano-lithographie. Ils sont de deux sortes : 1.Des lignes à retard basées sur un film de YIG de 300 nm d'épaisseur ont été caractérisées. Le problème de l’adaptation d'impédance a été résolu de façon analytique, nous permettant d’établir des objectifs ciblés, basés sur nos paramètres expérimentaux, dans le but d’optimiser les caractéristiques techniques des lignes à retard magnoniques. Les outils d'analyse et de modélisation développés au cours de cette thèse ont été implémentés dans des programmes python et mis en libre accès. 2.Par ailleurs, nous avons démontré l’efficacité de filtres hyperfréquence basés sur la nano-structuration périodique de guides d’ondes de YIG fin (20 nm). Un guide d'ondes modulé en largeur a été étudié et les résultats expérimentaux reproduits avec précision à l'aide de simulations micromagnétiques à l’échelle, ouvrant la voie à une optimisation fiable des propriétés des structures périodiques de YIG (cristaux magnoniques). En utilisant un guide d'ondes modulé en épaisseur, nous avons fortement supprimé les pertes engendrées par les défauts de fabrication, démontrant une réalisation efficace d'un cristal magnonique 1D. Enfin, des dispositifs nano-magnoniques actifs ont été fabriqués. En modulant l'anisotropie du BiYIG, nous avons montré que nous pouvions obtenir une stabilité thermique très élevée sur une large gamme de températures et une suppression du terme de couplage non linéaire préjudiciable dans les systèmes SOT supercritiques. Le régime transitoire de l'auto-oscillation, induite par le courant de spin, a été entièrement caractérisé, et un dispositif d'amplification des ondes de spin, basé sur le phénomène de SOT, a été démontré. Une dépendance en fréquence ou en vecteur d’ondes de l’efficacité de l’amplification a été observée dans les régimes sous-critiques et sur-critiques.

This thesis was aimed at studying the generation, propagation and manipulation of spin-waves in nanostructures of thin films of Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) and one of its doped variants (BiYIG), in order to enable the design of spin-wave based signal processing schemes and devices operating at radiofrequencies. Two goals have been pursued in parallel: 1.Provide a better understanding of spin-wave radiofrequency devices for analog applications such as filters or delay lines. 2.Explore the physics of spin-orbit-torque (SOT) applied to propagating spin-waves and understand the non-linear phenomena that have so far hindered any practical magnonic amplification scheme. Prior to the present work, spin-orbit effects in YIG|Pt microstructures have been demonstrated to be a powerful new paradigm to control the propagation and emission of coherent spin-waves. An intense research effort has been put in the lab to grow epitaxial nanometer thick YIG films by pulsed laser deposition (PLD). The film thickness was reduced down to a few nanometers while preserving its excellent magnetic properties. More recently, ultra-thin Bi-doped YIG films have been developed, introducing a large and controllable perpendicular magnetic anisotropy term (PMA) while preserving the excellent damping properties of YIG. Additionally, the Bi atoms induce a very large Faraday rotation angle which increases the sensitivity of direct imaging methods like Brillouin Light Scattering microscopy (BLS) by nearly two orders of magnitude. This important step forward on the material aspect opened up new possibilities for the realization of magnonic devices that can have a large impact on the ICT industry. Indeed, microfabrication of YIG is now possible thanks to the advent of high-quality nanometer thick YIG films. In the meantime, BiYIG, with its controllable PMA and large magneto-optical coupling, quickly imposed itself as a material whose properties are particularly well suited to the study of SOT effects. During this thesis, analog devices have been fabricated using standard nano-lithography techniques. They are of two sorts: 1.A delay lines based on a 300 nm thick YIG film have been characterized. The impedance matching problem was analytically solved, and we demonstrated a clear path toward realistic optimized targets in terms of losses and functionalities. All the analysis and modeling tools have been implemented in open source python programs. 2.Additionally, we have studied the efficient implementation of radiofrequency filtering using periodic nanostructurations thanks to the advent of 20 nm thick YIG films with low damping. A width-modulated waveguide was studied, and the experimental results were accurately reproduced using full-scale micromagnetic simulations, paving the way toward the reliable optimization of magnonic crystals’ properties. Using a thickness-modulated waveguide, we strongly suppressed the extra losses induced by defects, demonstrating a very efficient implementation of a 1D magnonic crystal. Finally, active nano-magnonic devices have been fabricated. By engineering the perpendicular magnetic anisotropy of Bi-doped YIG, we showed that we can both achieve a very high temperature stability (50 times larger than YIG) on a wide range of temperatures (260K to 400K) and a suppression of the leading detrimental non-linear coupling term in supercritical SOT systems. The transient regime of the spin-current induced auto-oscillation was fully characterized, and a spin-wave amplification scheme based on the spin-orbit-torque phenomenon was demonstrated. We also revealed a frequency or wavevector dependence of the amplification efficiency in both the subcritical and the supercritical regime.