Etude de la dynamique des ondes de spin dans les matériaux ferro- et antiferro- magnétiques : une avancée vers la magnonique ultrarapide

Unraveling spin wave dynamics in ferro- and antiferro- magnetic materials : a step towards ultrafast magnonics

• Auteur / Autrice : Aya El Kanj
• Direction : Abdelmadjid Anane, Romain Lebrun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/04/2024
• 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 : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Viret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvia Tacchi, Vincent Castel, Joerg Wunderlich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvia Tacchi, Vincent Castel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Ferromagnétisme

Antiferromagnétisme

Spintronique

Ondes de spin

Magnonique

Mots clés libres

Magnétisme

Magnonique

Spintronique

Ferromagnétique

Antiferromagnétique

Radiofréquence

Magnetism

Magnonics

Spintronics

Ferromagnet

Antiferromagnet

Radiofrequency

Résumé

Cette thèse porte le sujet de la magnonique, un domaine de recherche étudiant le transport des ondes de spin (SWs) dans les matériaux magnétiques pour les technologies beyond-CMOS. L'objectif de mon travail repose sur la génération, la propagation et la détection des SWs dans les matériaux ferromagnétiques (FM) et antiferromagnétiques (AFM), principalement le Grenat de Fer d’Yttrium (Y₃Fe₅O₁₂, connu par YIG) et l'Hématite (α-Fe₂O₃). En conséquence, trois résultats principaux ont été obtenus : 1. Spectroscopie de temps de vol sur le YIG : Nous introduisons une méthode d'extraction d'informations temporelles sur les paquets de SWs propagatifs à l'aide d'un Analyseur de Réseau Vectoriel (VNA). L'approche implique la transformée de Fourier inverse des données de domaine fréquentiel, montrant son utilité dans les VNA disponibles commercialement. Nous réalisons donc des mesures sur un film de YIG, ayant un spectre complexe de mode. On arrive alors à identifier les modes ainsi que d'isoler leur contribution afin de pouvoir étudier les propriétés de chaue mode. À partir de ces résultats, nous avons pu mieux comprendre le comportement des SWs dans une ligne de retard de YIG et ainsi adapter la conception des antennes selon l'application souhaitée. 2. Ondes de spin non dégénérées, non réciproques et ultra-rapides dans l'hématite : Les ondes de spin dans les AFM sont également étudiés depuis des années, mais leurs observation en expérimentale font toujours défaut. Les AFM cantés tel que l'hématite avec la présence des interactions Dzyaloshinskii-Moriya et sous l'influence d’un champs magnétique appliqué, permettent un régime d'échange dipolaire de SWs. Nous avons réussi donc à détecter et démontrer la présence de tels SWs ayant un caractère non réciproques ultra-rapides et non dégénérés, en utilisant des moyens de détection inductifs sur l'hématite épais. En utilisant la spectroscopie de temps de vol, nous constatons que les paquets d'ondes de magnons peuvent se propager aussi rapidement que 20 km/s pour les modes de bulk réciproques et jusqu'à 6 km/s pour les ondes de spin de surface se propageant parallèlement au vecteur Néel. Ces résultats peuvent faire avancer le domaine de la magnonique antiferromagnétique et dévoiler la physique riche des SWs cohérents. 3. Magnon spintronics sur Hematite : Une technique alternative aux mesures inductives pour détecter les SWs peut être réalisée en utilisant une détection électrique. Cela est accompli en utilisant un transducteur métallique à base de platine via l'effet Hall de spin inverse (ISHE). Nous obtenons une tension de sortie sur l'hématite comparable à celle obtenue dans un FM comme le YIG, marquant une détection électrique efficace des SWs propagatifs à travers ISHE sensible à la surface. Un autre effet a également été obtenu dans cette thèse ; la réalisation de la rectification de diode de spin dans l'hématite. Grace à ces études on a pu démontrer que les effets de spin-pumping représentent un outil prometteur pour détecter la dynamique de SW dans les AFM. Avec ces études, nous visons à contribuer dans l’avancement des applications radiofréquences, ouvrant la voie au développement de la recherche magnonique et magnonique spintronique ultra-rapide pour les futures technologies de l'information.

This thesis holds the subject of magnonics, a research field investigating spin waves (SWs) transport in magnetic materials for potential future beyond CMOS technologies. The aim of my work relies on the generation, propagation, and detection of spin waves in ferromagnetic and antiferromagnetic materials, with a specific focus on Yttrium Iron Garnet (Y₃Fe₅O₁₂, known as YIG) and Hematite (α- Fe₂O₃). As a consequence, three main results have been achieved: 1. Time of flight spectroscopy on YIG: We introduce a method for extracting time-domain information on propagating spin-wave packets using a Vector Network Analyzer. The approach involves the inverse Fourier Transform of frequency domain data, showing its utility within the commercially available VNAs. We therefore conduct measurements on a 500 nanometer-thick YIG film, a well-known system in the aim to validate the technique's application. It results in isolating a single SW mode profile from a complex spectrum, enabling the identification of mode origins in addition to conducting individual mode study through time gating. From these results we were able to provide a better understanding of the SWs behavior in a YIG delay line, and therefore tailoring the antennas design according to the needed application. 2. Non-degenerated, non-reciprocal and ultra-fast spin-waves in Hematite:Spin waves in AFM have also been investigated for years, yet experimental observations are still lacking. Canted AFM, such as hematite with the presence of bulk Dzyaloshinskii-Moriya interaction and under applied magnetic fields, allow a dipole exchange regime of AFM spin waves. In this thesis, we were able to detect and demonstrate the presence of ultra-fast nonreciprocal SWs in this regime using inductive means of detection on a bulk Hematite. By using time-of-flight spectroscopy we find that the magnon wave packets can propagate as fast as 20 km/s for reciprocal bulk modes and up to 6 km/s for surface modes propagating parallel to the Néel vector. These findings can push forward the field of antiferromagnetic magnonics, and in unravelling the rich physics of coherent SWs. 3. Magnon spintronics on Hematite: An alternative technique to the inductive measurements to detect the spin waves can be done by using an electrical detection of antiferromagnetic spin-waves. This is achieved by using a platinum-based metallic transducer via the inverse spin hall effect. The response’s output voltage on Hematite is comparable to that obtained in ferromagnets like YIG, marking an efficient electrical detection of propagating spin-waves through the surface-sensitive inverse spin-Hall effect with a platinum-based metallic transducer. Another effect was also achieved in this thesis that is the realization of spin diode rectification in Hematite. In this work we evidence that as expected the Oersted field excitation dominates over spin-torque effects in the case of a single crystal. We also observe the presence of non-linear effects when pumping the system with high powers. To go further, we examine by simultaneously applying both AC and DC currents, the DC dependent characteristics of the system to validate our statements. These mentioned features further demonstrate that spin-pumping effects represent a promising tool to detect the spin-wave dynamics in antiferromagnets, and favorize their integration in magnonic devices. With these findings, we aim to unlock the potential for future advancements in radiofrequency applications, paving the way for the development of ultrafast magnonic and magnon spintronic based research for future ICT technologies.