MAESTRO — Excitation de magnons dans le régime fortement hors d'équilibre

La magnonique aspire à devenir une nouvelle technologie de l'information exploitant le degré de liberté du spin, avec pour ambition de développer une plateforme de traitement vectoriel du signal miniaturisée, versatile et efficace en énergie, offrant de nouvelles fonctionnalités par rapport à l'électronique CMOS. Cette perspective repose en particulier sur les effets de transfert de spin, qui peuvent être utilisés pour exciter, contrôler et détecter les ondes de spin (OdS), ou leur quanta magnons, avec des fréquences caractéristiques du GHz au THz et des longueurs d'onde du micromètre au nanomètre. Depuis que les partenaires du projet ont démontré la possibilité de moduler le temps de relaxation des OdS se propageant dans le YIG, un isolant magnétique considéré comme le matériau magnonique idéal en raison de son facteur de qualité dynamique inégalé, le nouveau concept de milieu magnonique actif est devenu tangible. Cette première étape vers un dispositif fonctionnel a aussi révélé des effets de saturation indésirables, dus aux couplages non-linéaires entre magnons. Le but du projet Maestro est donc de maîtriser les instabilités et turbulences d'OdS qui apparaissent dans les matériaux à faibles pertes magnétiques, afin de faire fonctionner ces dispositifs à OdS sous de forts courants de spin. Cela sera obtenu en exploitant : - les concepts de la magnonique sur la nanostructuration périodique, pour contrôler le spectre de propagation des magnons et lever la dégénérescence entre OdS susceptibles de participer aux effets non-linéaires. - les concepts de la spintronique sur le transfert de spin associé aux couples spin-orbite (SOT), pour diminuer/augmenter la relaxation des OdS en fonction de la polarité d'un courant électrique injecté dans une couche métallique adjacente. L'objectif principal est de démontrer la manipulation d'OdS cohérentes de fortes amplitudes dans les dispositifs magnoniques, ce qui permettrait d'augmenter leur signal de sortie. Pour cela, trois moyens différents d'exciter les magnons dans le régime fortement hors d'équilibre seront comparés : i) une excitation harmonique (RF) classique, où les règles de sélection imposent la fréquence et la symétrie spatiale des OdS. ii) une excitation statique (dc) SOT, qui augmente/diminue la population de toutes les OdS (pas de règle de sélection). iii) en combinant ces deux excitations, i.e., l'amplification stimulée par SOT dc d'OdS excitées par la RF. Avec (i), le but est d'atteindre une dynamique de très grande amplitude dans des nanostructures de YIG et d'étudier sa stabilité, puis de propager des OdS de fortes amplitudes dans un cristal magnonique conçu à partir de ces résultats. Avec (ii), le but est de stabiliser une auto-oscillation de forte puissance sous pompage dc, en jouant sur le couplage non-linéaire entre magnons. Un autre but est d'étudier comment le pompage dc altère la distribution en énergie des magnons, du bas de la bande (GHz) jusqu'aux magnons thermiques (THz), et l'opportunité de générer des solitons et même un condensat de Bose-Einstein, comme prédit récemment dans des conditions spécifiques. Avec (iii), l'objectif est de repousser, voire supprimer la saturation non-linéaire de l'amplification des OdS par SOT, et de quantifier les performances d'une ligne à retard basée sur cette idée. Ultimement, cet effort devrait permettre la conception de nouveaux composants micro-ondes compacts et intelligents répondant à l'évolution à long terme des télécoms. Pour atteindre les objectifs ambitieux de Maestro, son consortium (CEA-SPEC, CEA-SPINTEC, CNRS-UMf, UBO-LabSTICC) réunit toute l'expertise nécessaire sur la dynamique de l'aimantation, la croissance de couches ultra-minces de grenats et la mise au point de leurs propriétés, la nanofabrication, les méthodes expérimentales pour sonder la dynamique spatio-temporelle des OdS, et les simulations micromagnétiques, pour concevoir, fabriquer, caractériser, modéliser et optimiser des dispositifs magnoniques.