Projet ANR-13-JS04-0001 – SPINSAW : Génération d’ondes de spin par des ondes acoustiques de surface dans des films ferromagnétiques
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (JCJC SIMI 4) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Laura THEVENARD (Institut des Nanosciences de Paris, UMR 7588, CNRS/UPMC)
Partenaires : Institut des Nanosciences de Paris
Montant : 283286.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : La mise au point de la prochaine génération de composants reposant sur l’électronique de spin va nécessiter la recherche de nouvelles techniques de renversement d’aimantation, sur des matériaux modèles et multifonctionnels. Dans ce contexte, nous proposons d’étudier comment des ondes de spins peuvent être générées grâce à des ondes acoustiques de surfaces (SAWs), avec dans l’idée de les utiliser comme vecteur d’information, mais aussi de rivaliser avec les effets de retournement dynamiques observés dans les composants actuels.
	Plus précisément, le but de ce projet expérimental est d’étudier à un niveau fondamental les ondes de spin générées par de la contrainte, dans des matériaux magnétostrictifs bien choisis. La contrainte sera appliquée sous forme de SAWs, générées soit électriquement par des peignes interdigités, soit optiquement par un laser excitant des phonons cohérents. Alors que la première technique produit des ondes planes de déformation quasi-monochromatiques, la seconde génère des ondes isotropes, et large bandes ; cette approche pour générer des ondes de spin est tout à fait nouvelle.
	Les effets magnétostrictifs ont été étudiés dans une large gamme de matériaux : les métaux de transitions, les grenats, ou les semiconducteurs magnétiques, and sont pour certains utilisés dans la vie de tous les jours. Nous avons choisis de nous focaliser sur deux familles de films minces épitaxiés : (i) le semiconducteur ferromagnétique Ga1-xMnxAs1-yPy, qui fonctionne à basse température mais qui est bien compris et possède des propriétés magnétiques facilement ajustables, et (ii) Fe1-xGax (le Galfenol), un composé ferromagnétique à l’ambiante très fortement magnétostrictif. L’INSP (Institut des Nanosciences de Paris) est récemment parvenu à faire pousser ce matériau en couches minces épitaxiées.
	Lorsqu’utilisés de façon dynamique, les effets magnétostrictifs sont le plus efficace lorsque la fréquence de la contrainte est accordée à la fréquence de précession naturelle du matériau ferromagnétique. Pour cette raison, et contrairement à la plupart des groupes travaillant sur le sujet, nous avons choisi de travailler à résonance : tout d’abord sur GaMnAsP, dont les faibles fréquences de précession sont facilement accessibles expérimentalement, puis sur FeGa, aux fréquences plus élevées, mais à plus forte magnétostriction. La première partie du projet consistera donc à optimiser les échantillons, puis le montage de génération des SAWs pour ces gammes de fréquences. Le cœur du programme scientifique consistera alors en deux projets parallèles. Dans le premier, le but sera de générer efficacement des ondes de spin en exploitant le fort couplage entre les états propres de magnons et phonons à la résonance, i.e. de se placer au croisement de leurs courbes de dispersion. Les ondes de spin seront caractérisées optiquement en couplant une détection de rotation Kerr résolue en temps à l’émission des SAWs, une approche expérimentale ambitieuse qui fournira des informations complémentaires aux détections en cavité, ou électrique. En cas de succès, cette étude pourrait aboutir à la première démonstration expérimentale d’un mode mixte phonon acoustique-magnon, ou polariton. Dans le deuxième projet, nous montrerons pour la première fois le renversement irréversible d’aimantation par des ondes acoustiques de surface. Cela nécessitera le couplage d’un montage de microscopie Kerr avec l’émission des SAWs. En cas de succès, cela ouvrirait la voie vers la première mémoire magnétique à accès aléatoire basée sur des SAWs.
	Ce projet original est ambitieux, car il repose à la fois sur une excellente maîtrise de la croissance et de la microfabrication des échantillons et sur l’implémentation de techniques optiques et électroniques élaborées. Alors que plusieurs groupes de recherche dans le monde travaillent sur des sujets proches, nous estimons qu’il existe à l’INSP un unique faisceau de compétences permettant de mener à bien ce projet.