PhD (M/ F) Study of magphonic crystals

Informations générales

Intitulé de l'offre : Doctorat (H/F) Etude de cristaux magphoniques
Référence : UPR3407-FATZIG-002
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : VILLETANEUSE
Date de publication : jeudi 12 septembre 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 2 décembre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Matière condensée : structures et propriétés électroniques

Description du sujet de thèse

Le sujet de thèse proposé porte sur l'étude et la maîtrise de la propagation des ondes de spin dans des cristaux magphoniques, en particulier en ce qui concerne l'atténuation de ces ondes lors de leur propagation. Cette atténuation constitue un problème critique pour la transmission de l'information dans les circuits magnoniques, notamment dans les métaux où elle est particulièrement élevée (de l'ordre de quelques micromètres pour un film de 20 nm d'épaisseur). Pour surmonter cette difficulté, il est proposé d'exploiter les bosons magnéto-élastiques, qui émergent de l'hybridation des magnons avec les phonons.
Des expériences récentes menées sur des films de grenat d'yttrium et de fer (YIG) de 6 µm d'épaisseur ont montré que ces bosons magnéto-élastiques peuvent s'accumuler spontanément pendant la thermalisation d'un gaz de magnons surpeuplé, généré par un pompage paramétrique. Ces observations ont été réalisées par spectroscopie de diffusion de la lumière de Brillouin (BLS) [1]. L'objectif est d'adapter cette technique de pompage aux films métalliques ferromagnétiques.
Les réseaux périodiques, comme les cristaux magnoniques et phononiques, sont particulièrement adaptés pour contrôler les caractéristiques des ondes, telles que leur vitesse de groupe et leur énergie. Les cristaux magnoniques et phononiques sont des nanostructures artificielles avec des variations périodiques de leurs propriétés magnétiques et acoustiques, analogues aux cristaux photoniques [2,3]. Les cristaux magphoniques, quant à eux, présentent simultanément des comportements magnoniques et phononiques [5,6].
Dans ce contexte, le projet de thèse consistera à générer des bosons magnéto-élastiques dans des cristaux magphoniques et à les détecter par spectroscopie BLS. Ces bosons seront excités par un pompage paramétrique. Au laboratoire LSPM, le pompage cohérent d'ondes de spin propagatives a déjà été réalisé dans des films de permalloy de 200 nm d'épaisseur [7], et la propagation d'ondes de spin dans des cristaux magnoniques a été démontrée [8]. Ces bosons magnéto-élastiques n'existent que s'il y a un couplage magnéto-élastique se produisant à la croisée des branches des phonons et des magnons. Dans un milieu homogène, cette croisée est rare pour un seul vecteur d'onde imposé par un champ magnétique appliqué. En revanche, dans les cristaux magphoniques, la loi de dispersion permet beaucoup plus de possibilités de croisement et donc de couplage entre les magnons et les phonons.
Le projet comprendra à la fois des études expérimentales et numériques. La partie expérimentale inclura la fabrication de cristaux magphoniques à la "Centrale de Proximité en Nanotechnologies de Paris Nord". Les cristaux seront composés de CoFeB, matériau présentant une grande magnétostriction et un faible amortissement magnétique. Les bosons magnéto-élastiques seront excités par des antennes directement déposées sur les cristaux et mis en évidence par BLS. La BLS conventionnelle sera utilisée pour déterminer les lois de dispersion des magnons et phonons dans un milieu périodique, tandis que la µ-BLS sera employée pour mesurer l'atténuation des ondes de spin et leur régénération.
L'atténuation sera étudiée en utilisant une seule antenne, tandis qu'une série d'antennes sera déposée pour régénérer les ondes de spin. La périodicité de ces antennes sera ajustée en fonction de la longueur d'atténuation. Sur le plan numérique, le doctorant bénéficiera d'un développement interne sous Comsol Multiphysics permettant de dériver numériquement les lois de dispersion dans les cristaux magphoniques. Ces calculs serviront à prévoir la conception des cristaux et des réseaux d'antennes, ainsi qu'à analyser les résultats expérimentaux : lois de dispersion, couplage, efficacité d'excitation, atténuation et régénération.
En résumé, cette thèse explorera la génération, la propagation, et la détection des bosons magnéto-élastiques dans les cristaux magphoniques, avec une approche combinant expérimentation et modélisation numérique. Le travail du doctorant contribuera à l'avancement des connaissances dans le domaine des circuits magnoniques, avec des applications potentielles dans les résonateurs micro-ondes, les filtres, et les dispositifs logiques à ondes de spin.
Références :
[1] P. Frey et al. Phys. Rev. B 104, 014420 (2021)
[2] V. V. Kruglyak et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 264001 (2010)
[3] T. Gorishnyy et al. Phys. Rev. Letters 94, 115501 (2005)
[4] S. O. Demokritov and A. N. Slavin, "Eds., Magnonics - From Fundamentals to Applications", Springer, Series: Topics in Applied Physics, 125 (2013)
[5] V. L. Zhang et al. Appl. Phys. Lett. 100, 163118 (2012)
[6] H. Pan et al. Nanoscale Res. Lett. 8, 115 (2013)
[7] A. A. Stashkevich et al. J. Appl. Phys. 102, 103905 (2007)
[8] G. Gubbiotti et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 105003 (2014)
[9] N. Challab et al. Phys. D: Appl. Phys. 52 355004 (2019)
[10] S. Chiroli et al., AIM 2023 (Strain and shape effect on magnetization dynamics in nanostructures)

Contexte de travail

Le travail de thèse se déroulera au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM), situé à l'Université Sorbonne Paris Nord. Le LSPM est un centre de recherche multidisciplinaire spécialisé dans les matériaux, la physique des plasmas, et les nanotechnologies. Le laboratoire dispose d'équipements de pointe pour la fabrication et l'analyse des matériaux, notamment dans le cadre de projets nécessitant des nanostructures magnétiques comme les cristaux magphoniques. Le doctorant aura accès à la "Centrale de Proximité en Nanotechnologies de Paris Nord" pour la réalisation des structures étudiées.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.