Transconductance non locale des magnons dans couches d'isolants magnétiques étendues

Non-local magnon transconductance in extended magnetic insulating films

• Auteur / Autrice : Ryuhei Kohno
• Direction : Olivier Klein, Laurent Vila
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 15/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Attané
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Thiaville, Yoshichika Otani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sebastian T.B. Goennenwein, Catherine Gourdon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnons

Ondes de spin

Spintronique

Mots clés libres

Magnonics

Spintronique

Ondes de spin

Yig

Magnonics

Spintronics

Spin wave

Yig

Résumé

L'insulatronique de spin est un nouveau domaine de recherche, qui vise à exploiter les isolants électriques comme média pour le transport de pur courant de spin, dans le but de développer des composants électroniques plus efficaces sur le plan énergétique. La vision est de remplacer les électrons délocalisés présents dans les matériaux métalliques par des ondes de spin propagatives, qui transportent le spin sans aucune dissipation ohmique. Dans cette thèse, nous étudions les principes fondamentaux de l'excitation et de la propagation des magnons dans des films minces d'isolants magnétiques étendus. Nous concentrons notre étude sur la transconductance des magnons dans les films minces de grenat magnétique excités par des effets de transfert de spin (couple de transfert de spin par un fil de Pt adjacent grâce à l'effet Hall de spin) en utilisant des dispositifs constitués de deux fils de Pt déposés sur les films agissant respectivement comme émetteur et collecteur de magnons.L'absence de dissipation par effet Joule confère généralement aux matériaux isolants un très faible amortissement magnétique, qui est associé à une forte propension des magnons à se comporter de manière non-linéaire. Cet effet peut être exploité pour des diodes de spin, des amplificateurs de spin ou des redresseurs de spin de signaux micro-ondes. Nous analysons l'origine de cet effet qui introduit une asymétrie des propriétés de transport. En effet, la variation de la densité d'excitations de spin de basse énergie via un déplacement électrique du potentiel chimique de magnon est responsable. Les propriétés de transport des magnons à basse énergie passent par trois régimes distincts :i) à faible courant, où le courant de spin est une fonction linéaire du courant électrique, le transport de spin est balistique et déterminé par l'épaisseur du film :ii) pour des amplitudes de l'ordre du seuil de compensation de l'amortissement, il passe à un régime hautement corrélé par le processus de relaxation magnon-magnon. :iii) Lorsque la température sous l'émetteur approche la température de Curie, la diffusion avec des magnons à hautes énergies domine, ce qui conduit à un transport diffusif. Nous notons qu'une telle séquence de différents régimes de transport est analogue au transport hydrodynamique des électrons dans les milieux ultra-purs.Cependant, le transconductance des magnons est portée par une excitation de spin couvrant une large gamme d'énergie. On montrera que cette image peut être simplifiée de façon drastique dans un modèle à deux fluides qui ne prend en compte que les magnons aux deux extrémités du spectre d'énergie : i) une grande partie des magnons de haute énergie, proche de l'énergie thermique, avec une longueur caractéristique de propagation dans la gamme sub-micronique, et ii) une petite partie des magnons de basse énergie, avec une longueur caractéristique de propagation dans la gamme micronique. Ces caractéristiques de transport distinctes permettent de filtrer les magnons et d'exploiter les fonctionnalités spécifiques aux magnons à basse énergie.Sur la base de ces connaissances, nous cherchons de nouvelles fonctionnalités en contrôlant le transport avec une électrode supplémentaire. Nous démontrons l'amplification de la part du transport porté par les magnons de basse énergie en chauffant localement le collecteur. La conduction peut être améliorée d'un facteur 4 environ en chauffant le collecteur. Les simulations micromagnétiques révèlent la formation d'ondes stationnaires entre les deux fils de Pt, suggérant que le gradient de magnétisation local peut agir comme un miroir pour les magnons de basse énergie.Dans l'ensemble, nous nous persuadons que ce travail de thèse contribue à améliorer la compréhension des transports de magnons induits par les effets de transfert de spin dans les géométries étendues. A long terme, cela contribuera au développement de circuits insulatroniques plus réalistes.

Spin insulatronics is an emerging field of research, which aims at exploiting electrical insulators as a novel transport medium that can propagate pure spin current with the benefit of developing more energy efficient computers and other electronics. The vision is to replace the delocalized electrons present in metallic materials by propagating spin-waves, which transport the spin without any Joule dissipation. In this thesis, we investigate the fundamentals of magnon excitation and propagation in extended magnetic insulating thin films. We focus our interest on the characteristics of magnon trans-conductance in thin magnetic garnet films excited by spin transfer effects (spin orbit torques from an adjacent Pt wire by the spin Hall effect) by using devices consisting of two Pt wires deposited on extended ferromagnetic insulators acting as an emitter and a collector of magnons respectively.The absence of Joule dissipation usually gifts the dielectric materials with very low magnetic damping, which is associated with a high propensity for magnons to behave nonlinearly. This effect could be exploited for spin diodes, spin amplifiers or spin rectifiers of microwave signals. We analyze the origin of the spin diode conduction which introduces an asymmetry of the spin transport properties. The feature is rooted in the variation of the density of low-lying spin excitations via an electrical shift of the magnon chemical potential. As the intensity of the spin transfer increases, the transport properties of low-energy magnon go through 3 distinct regimes: i) at low currents, where the spin current is a linear function of the electrical current, the spin transport is ballistic and set by the film thickness: ii) for amplitudes of the order of the damping compensation threshold, it switches to a highly correlated regime limited by magnon-magnon relaxation process and marked by a saturation of the magnon transconductance. Here the main bias, that controls the magnon density, is thermal fluctuations beneath the emitter. iii) As the temperature under the emitter approaches the Curie temperature, scattering with high-energy magnons dominates, leading to diffusive transport. We note that such a sequence of transport regimes bears an analogy with electron hydrodynamic transport in ultra-pure media.The magnon transconductance is carried by spin excitation covering a wide energy range. It will be shown that for all practical purposes this picture can be simplified in a two-fluid model which only takes into account magnons at both ends of the energy spectrum: i) a large portion of high-energy magnons at thermal energy, with a characteristic decay length in a sub-micronic range, and ii) a small portion of low-energy magnons, with a characteristic decay length in a micronic range. Those distinct transport characteristics provide a way to filter out the high-energy magnons and to exploit the functionality of the low-energy magnons. The latter may become the dominant fluid for example at a large intensity of injection to be in the regime of spin diode effect, or at a large distance from the emitter.Based on the acquired knowledge, we seek new functionalities by controlling the transport with an additional electrode. We demonstrate the amplification of the transports of low-energy magnons by locally heating the collector. The conduction is enhanced by about a factor of 4. Micromagnetic simulations also demonstrate an enhancement of the oscillation amplitude by reducing the magnetization locally. They reveal a formation of standing waves between the two Pt wires, suggesting that the local magnetization gradient can act as a mirror for the low-energy magnons.Overall we believe that this thesis work contributes to improving the understanding of magnon transports provided by spin transfer effects in extended geometries. In the long run this will contribute to the development of more realistic insulatronic circuits.