Thèse Dynamique Non Linéaire d'Aimantation Excitée par des Ondes Acoustiques de Surface H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Grégoire DE LOUBENS ORCID 0000000180963058 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les signaux RF sont omniprésents dans la société connectée d'aujourd'hui. D'un côté, les dispositifs à ondes acoustiques de surface fabriqués sur des substrats piézoélectriques sont largement utilisés pour discriminer les fréquences. Bien que très économes en énergie, ces dispositifs fonctionnent principalement dans des applications à bande étroite et effectuent des opérations linéaires conservant la fréquence. D'autre part, les dispositifs magnoniques s'appuient sur les propriétés spécifiques des ondes de spin dans les matériaux ferromagnétiques et sont hautement accordables et non linéaires, mais souffrent de pertes d'insertion importantes. Heureusement, les effets magnéto-élastiques et magnéto-rotatifs peuvent coupler la dynamique de l'aimantation d'un film ferromagnétique mince déposé sur un substrat piézoélectrique à celle de son réseau cristallin. Par exemple, nous avons récemment démontré qu'il est possible d'exciter la dynamique linéaire de l'aimantation d'un nanodisque ferromagnétique de CoFeB grâce à une onde acoustique de surface actionnée électriquement dans le substrat LiNbO3 sous-jacent [1].L'objectif de cette thèse sera de démontrer que cela peut également être réalisé dans un régime non linéaire. Pour cela, le disque ferromagnétique sera aimanté dans le plan. Dans cette configuration, la précession de l'aimantation est elliptique, ce qui permet d'exciter paramétriquement les modes propres des ondes de spin du disque à l'aide d'un champ magnétique RF parallèle à l'aimantation du disque avec une fréquence proche du double des fréquences propres [2]. L'originalité ici sera de remplacer le champ d'excitation RF habituellement produit par une antenne inductive par les champs effectifs associés aux termes magnéto-élastiques et magnéto-rotationnels actifs lorsqu'une onde acoustique de surface est excitée dans le substrat. Ces mesures seront réalisées sur des échantillons fabriqués en collaboration avec un autre laboratoire (C2N) et grâce à une technique de microscopie à force magnétique hautement sensible développée au SPEC. Des simulations micromagnétiques utilisant Mumax3 seront également réalisées afin de comprendre le seuil en amplitude de l'onde acoustique à dépasser pour exciter les modes paramétriques dans le disque.Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet NELSON (« Non-Linear Surface acoustic wave platform enabled by spin wave hybridizatiON ») récemment financé par l'ANR.[1] R. Lopes Seeger et al., Phys. Rev. Lett. 134, 176704 (2025)[2] T. Srivastava et al., Phys. Rev. Appl. 19, 064078 (2023) Les signaux RF sont omniprésents dans la société connectée d'aujourd'hui. D'un côté, les dispositifs à ondes acoustiques de surface fabriqués sur des substrats piézoélectriques sont largement utilisés pour discriminer les fréquences. Bien que très économes en énergie, ces dispositifs fonctionnent principalement dans des applications à bande étroite et effectuent des opérations linéaires conservant la fréquence. D'autre part, les dispositifs magnoniques s'appuient sur les propriétés spécifiques des ondes de spin dans les matériaux ferromagnétiques et sont hautement accordables et non linéaires, mais souffrent de pertes d'insertion importantes. Heureusement, les effets magnéto-élastiques et magnéto-rotatifs peuvent coupler la dynamique de l'aimantation d'un film ferromagnétique mince déposé sur un substrat piézoélectrique à celle de son réseau cristallin. Par exemple, nous avons récemment démontré qu'il est possible d'exciter la dynamique linéaire de l'aimantation d'un nanodisque ferromagnétique de CoFeB grâce à une onde acoustique de surface actionnée électriquement dans le substrat LiNbO3 sous-jacent [1]. L'objectif de cette thèse est de démontrer l'excitation de la dynamique de l'aimantation dans une nanostructure par des ondes acoustiques de surface dans le régime non-linéaire. Pour cela, un nano-disque ferromagnétique sera aimanté dans le plan. Dans cette configuration, la précession de l'aimantation est elliptique, ce qui permet d'exciter paramétriquement les modes propres des ondes de spin du disque à l'aide d'un champ magnétique RF parallèle à l'aimantation du disque avec une fréquence proche du double des fréquences propres [2]. L'originalité ici sera de remplacer le champ d'excitation RF habituellement produit par une antenne inductive par les champs effectifs associés aux termes magnéto-élastiques et magnéto-rotationnels actifs lorsqu'une onde acoustique de surface est excitée dans le substrat. Ces mesures seront réalisées sur des échantillons fabriqués en collaboration avec un autre laboratoire (C2N) et grâce à une technique de microscopie à force magnétique hautement sensible développée au SPEC. Des simulations micromagnétiques utilisant Mumax3 seront également réalisées afin de comprendre le seuil en amplitude de l'onde acoustique à dépasser pour exciter les modes paramétriques dans le disque.D'autres phénomènes de dynamique non-linéaire de l'aimantation bien connus lorsque cette dernière est excitée par un champ magnétique RF (décalage non-linéaire de la fréquence de résonance d'ondes de spin [3], excitation paramétrique transverse [4], intabilités d'ondes de spin [5]) seront également étudiés expérimentalement, l'excitation étant cette fois fournie par une onde acoustique de surface. Croissance de couches minces magnétiques, nanofabrication, caractérisations structurales et magnétiques, spectroscopies micro-ondes (résonance ferromagnétique et microsccopie de force par résonance magnétique), simulations micromagnétiques, calculs analytiques et numériques

Solides connaissances en physique du solide (M2 en Physique, spécialité matière condensée / matériaux / nanophysique / dispositifs quantiques).Intérêt pour les mesures expérimentales validé par au moins un stage en laboratoire.Attrait pour un projet couvrant une large gamme de méthodes, de la fabrication de dispositifs à leur caractérisation avancée via des techniques de spectroscopie de pointe et à la modélisation d'effets physiques complexes.

• Spectroscopie