Spectroscopie orbitale des ondes de spin azimutales par magnétométrie à centre NV

Orbital spectroscopy of azimuthal magnon modes by NV-magnetometry

• Auteur / Autrice : Clément Fourniols
• Direction : Olivier Klein
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Mots clés

Mots clés libres

Ondes de spin

Centre NV

Magnétométrie NV

Moment angulaire orbital

Yig

Résonance magnetique

Spin waves

NV center

NV-magnetometry

Orbital angular momentum

Yig

Magnetic Resonance

Résumé

La conservation du moment angulaire dans les solides est reconnue depuis longtemps pour être un champ de recherche essentiel. Parmi les concepts largement étudiés dans ce domaine, le transport de spin par les électrons de conduction n'en constitue qu'une partie. En effet, les ondes de spin, qui correspondent aux excitations collectives de basse énergie de l'ordre magnétique jouent également un rôle crucial. Le moment angulaire des ondes est classiquement représenté par des champs de vecteurs polarisés circulairement se propageant dans un milieu continu, avec des fronts d'onde hélicoïdaux ou rotationnels. Dans certains cas, le moment angulaire peut être séparé en une composante de spin (SAM) et une composante orbitale (OAM). Bien que cette dernière composante soit capable de coder des quanta arbitrairement grands de nJℏ, l'OAM reste relativement inexploré expérimentalement, et ce, principalement en raison de la difficulté du couplage direct avec les modes d'ondes de spin possédant un tel OAM. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons une étude spectroscopique de l'OAM des modes d'onde de spin azimutaux. Pour surmonter la difficulté de couplage à ces modes, nous suggérons de détecter localement leurs profils spatio-temporels à l'aide d'un microscope à centre NV récemment développé à SPINTEC. Notre première étape consistera à examiner la conservation du moment cinétique au sein du système de spin, en mettant particulièrement l'accent sur le couplage entre les composantes OAM et SAM via l'interaction spin-orbite. Par la suite, nous aborderons le problème du moment angulaire dans son intégralité, en considérant comment les ondes de spin s'hybrident avec d'autres formes d'onde, telles que les ondes élastiques ou électromagnétiques. Nous compléterons la magnétométrie à centre NV avec des mesures d'interférométrie à balayage focalisé réalisée au sein de l'Institut Néel pour cartographier la déformation élastique associée produite par le tenseur magnéto-élastique. Le candidat désigné sera responsable de réaliser ces deux expériences de spectroscopie aux fréquences micro-ondes. Il réalisera l'expérience, documentera le processus et mettra en œuvre les étapes nécessaires pour étudier et optimiser l'effet observé. Il collaborera également avec d'autres membres du groupe travaillant sur des sujets connexes en résonance ferromagnétique et en opto-mécanique.

The fundamental importance of angular momentum conservation in solids has long been recognized as a rich vein of research, with the extensively studied notion of spin transport by conducting electrons being only part of the story. It also involves spin-waves, which are the low-lying collective excitations of the magnetic order. The angular momentum of waves is classically represented by circularly polarized vector fields propagating in continuum media with helical or rotational wave fronts. In certain cases, this angular momentum can be separated into a spin (SAM) and an orbital (OAM) component. While the latter component is capable of encoding arbitrarily large quanta of nJℏ, the OAM is experimentally rather unexplored, which can also be put in the context of the general difficulty of direct coupling to waves with orbital index. In this PhD project we propose a spectroscopic study of the OAM of azimuthal magnon modes. To overcome the difficulty of coupling to these modes, we propose to locally sense their spatio-temporal profile using a recently developed NV center microscope at SPINTEC. Our first step will be to consider the angular momentum conservation within the spin system, and in particular the coupling between the OAM and SAM components via spin-orbit interaction. Our next step will be to consider the full angular momentum problem by considering how spin waves hybridize with other waveforms, such as elastic or electromagnetic waves. We will complement the NV center magnetometry with scanning focus interferometry at NEEL to map the associated elastic deformation produced by the magneto-elastic tensor. The appointed candidate will be responsible for performing these two spectroscopy experiments at microwave frequencies. He will perform the experiment, document the process, and implement the necessary steps to study and optimize the observed effect. He will also collaborate with other members of the group working on related topics in ferromagnetic resonance and opto-mechanics.