Microstructures de grenat magnétisées perpendiculaires pour les magnoniques

Perpendicular Magnetised Garnet Microstructures for Magnonics

• Auteur / Autrice : Ján Ján
• Direction : Laurent Ranno
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 02/02/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Nanomagnétisme

Grenats magnétiques

Magnoniques

Spintronique

Nanomagnetism

Magnetic garnets

Magnonics

Spintronics

Résumé

Les grenats magnétiques tels que le YIG (Y3Fe5O12) sont des matériaux présentant les meilleures propriétés magnétiques dans le régime des GHz parmi tous les matériaux. Ils ont l'amortissement magnétique le plus bas, ce qui permet une propagation de magnons sur de longues distances. En substituant le YIG par du Bi et en utilisant l'ingénierie de contrainte, leur anisotropie magnétique peut être réglée de l'axe facile dans le plan à l'axe facile hors du plan. Étant ferrimagnétiques, d'autres propriétés telles que leur aimantation et son profil de température peuvent également être ajustées. Récemment, des techniques de dépôt physique (sputtering et dépôt laser) ont montré qu'elles produisaient des films monocristallins et des multicouches, uniformément tendus, tout en conservant des propriétés proches de celles du volume. Le premier objectif du projet se concentre sur l'optimisation de la croissance des multicouches pour ajuster l'anisotropie magnétique perpendiculaire induite par magnéto-élasticité (PMA), sans utiliser de terres rares magnétiques afin de maintenir un faible amortissement magnétique. Ces multicouches seront structurées en microstructures en maintenant une faible anisotropie magnétique, proche de la transition dans le plan à hors du plan. Ces multicouches fourniront également des structures sans symétrie d'inversion pour aborder l'origine de l'interaction Dzyaloshinskii-Moria (DMI) mise en évidence dans certains films, parmi des résultats très dispersés dans la littérature. Le banc récemment installé de diffusion Brillouin (BLS) sera un outil clé pour cette étude. En ce qui concerne l'électronique de spin, les grenats permettent de créer et de transporter des courants de spin, sans le courant de charge traditionnel. L'excitation de magnons, la manipulation de structures de spin telles que les parois de domaine ou les skyrmions à l'aide du couple spin-orbite (SOT), est le deuxième objectif dans des multicouches nanométriques de YIG et de Bi-YIG. Ces structures seront structurées pour étudier les ondes de spin quantifiées, en utilisant une PMA proche de l'anisotropie effective nulle comme paramètre externe et en ajustant la géométrie pour contrôler la propagation de modes de magnons spécifiques dans le milieu. Les spectres d'émission de magnons seront quantifiés avec BLS ou micro-BLS (pour les micropatrons) pendant le détachement. Plus loin dans le projet, le mouvement des parois de domaine induit par SOT sera sondé.

Magnetic garnets such as YIG (Y3Fe5O12) are materials with the best magnetic properties in the GHz regime among all materials. They have the lowest magnetic damping, which allows for long distance magnon propagation. Substituting YIG with Bi and using strain engineering, their magnetic anisotropy can be tuned from in-plane to out-of plane easy axis. Being ferrimagnetic, more properties such as their magnetization and its temperature profile can also be adjusted. Recently, physical deposition technique (sputtering and laser deposition) have been shown to produce single crystalline film and multilayers, homogeneously strained, while keeping properties close to the bulk ones. The first objective of the project focuses on optimizing multilayer growth to adjust the magnetoelastically-induced perpendicular magnetic anisotropy (PMA), without using magnetic rare earths in order to keep low magnetic damping. These multilayers will be patterned into microstructures keeping small magnetic anisotropy, close to the in-plane to out-of-plane transition. These multilayers will also provide structures without inversion symmetry to address the origin of Dzyaloshinskii-Moria Interaction (DMI) evidenced in some films, among very scattered results in the literature. The recently installed Brillouin Light Scattering (BLS) bench will be a key tool for this study. As regards spin electronics, garnets allow to create and transport spin currents, without the traditional charge current. Exciting magnons, manipulating spin structures such as domain walls or skyrmions using the spin-orbit torque (SOT) is the second objective in nanometers-thick YIG and Bi-YIG multilayers. These structures will be patterned to study quantized spin waves, using PMA close to the zero effective anisotropy as an external parameter and tuning the geometry to control the propagation of specific magnon modes in the medium. The magnon emission spectra will be quantified with BLS or micro-BLS (for micropatterns) during the secondment. Further in the project, the SOT-driven domain-wall motion will be probed.