Thèse soutenue

Étude de cristaux magnoniques reconfigurables à base d'alliages d'Heusler Co2MnSi

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Auteur / Autrice : Sarah Mantion
Direction : Nicolas Biziere
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance le 07/04/2023
Etablissement(s) : Toulouse 3
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
Jury : Président / Présidente : Vincent Paillard
Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Biziere, Catherine Gourdon, Benjamin Lassagne, Vincent Cros, Grégoire de Loubens
Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Gourdon

Mots clés

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Résumé

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Les ondes de spin sont des excitations élémentaires de matériaux magnétiques consistant en une précession déphasée des moments magnétiques du matériau. Tout comme une onde électromagnétique, les ondes de spin peuvent transmettre des informations. Ces ondes présentent plusieurs caractéristiques attractives par rapport aux ondes électromagnétiques pour la miniaturisation de composants radiofréquences (dans la gamme de quelques MHz à la dizaine de THz). Notamment, leurs longueurs d'ondes sont plusieurs ordres de grandeurs inférieures à celles des ondes électromagnétiques dans le vide et leurs fréquences peuvent être modifiées par l'application d'un champ magnétique. Un cristal magnonique est un matériau magnétique dont les propriétés magnétiques sont modulées de manière périodique et artificielle. A l'instar des photons dans un cristal photonique, les ondes de spin diffusent et interfèrent au travers du cristal magnonique générant ainsi des bandes de fréquences permises et d'autres interdites à la propagation. Suivant le design des cristaux magnoniques, diverses applications sont possibles tels que des filtres à ondes de spin, des portes logiques, mémoires non volatiles. Actuellement, la majorité des cristaux magnoniques présents dans la littérature fonctionne avec l'application d'un champ magnétique de saturation, ce qui nécessite l'utilisation d'aimants permanents. Cela limite l'incorporation de ces dispositifs magnoniques dans des circuits intégrés. Ainsi l'objectif principal de cette thèse consiste à obtenir un système modèle de cristal magnonique présentant des bandes radiofréquences reconfigurables, c'est-à-dire pouvant être modifiées à dessein, à champ magnétique nul (rémanence). Dans ce contexte, les couches minces d'alliages d'Heusler Co2MnSi (CMS) constituent des candidats prometteurs pour des applications magnoniques en raison de leur forte aimantation à saturation, de leur faible coefficient d'amortissement et de leur forte anisotropie magnéto-cristalline cubique (proche de 30 mT). En particulier, nous avons démontré dans un premier temps de manière numérique que la forte anisotropie cubique du CMS permet la stabilisation d'états magnétiques quasi-uniformes à la rémanence dans un système modèle de cristal magnonique : un réseau périodique de trous carrés de tailles 300-50 nm et de périodicité le triple de la taille des trous au minimum. Suivant la direction du champ d'initialisation, différents états magnétiques rémanents peuvent être obtenus. Lorsque soumis à un champ de pompage radiofréquence, ces différents états offrent alors différentes réponses radiofréquences. Nous montrons également comment la taille des trous et leur espacement influe sur le nombre et la fréquence des modes reconfigurables. Nous avons par la suite fabriqué et mesuré des cristaux magnoniques de CMS. La nanostructuration du CMS a été réalisée via deux techniques différentes : gravure Focused Ion Beam (FIB) et une combinaison de lithographie électronique et gravure Ion Beam Etching (IBE). Tout d'abord, un cristal magnonique de CMS avec des trous carrés de 140nm et de périodicité 400nm a été réalisé par FIB. En mesurant sa réponse radiofréquence par des mesures inductives via une micro-antenne et en réalisant des simulations micromagnétiques, nous avons montré la nécessité de prendre en compte les imperfections géométriques et la dégradation des propriétés magnétiques du matériau induites lors de la nanostructuration au FIB pour comprendre les mesures. Afin de s'affranchir de ces désavantages, un dispositif similaire à celui du FIB a été fait par combinaison de lithographie électronique et gravure IBE. Des modes d'ondes de spin bien distincts ont alors pu être observés, ce qui nous a permis de mesurer la reconfigurabilité à la rémanence prédite numériquement. Ce travail ouvre ainsi la voie à la réalisation de dispositifs magnoniques radiofréquences reconfigurables pour des opérations logiques ou de filtrages d'ondes de spin à la rémanence.