Doctorat en «Microscopie NV-centre des faisceaux d’ondes de spin» – Programme MSCA Cofund SEED

La miniaturisation en cours de l’électronique conventionnelle reposant sur la technologie CMOS s’accompagne d’une importante génération de chaleur, qui nécessite des solutions alternatives au-delà de la loi de Moore. L’un des principaux concurrents des futurs dispositifs informatiques et de traitement du signal économes en énergie repose sur la manipulation des magnons ou des ondes de spin, qui sont les excitations élémentaires des matériaux magnétiques. Les magnons peuvent être manipulés sur une large gamme du spectre micro-ondes à la fois à des températures ambiantes et basses, généralement entre 100 MHz et 300 GHz, avec de petites empreintes jusqu’aux nanomètres, et sont donc intéressants pour les applications 5G/6G [1]. En outre, une grande variété d’effets non réciproques inhérents à la dynamique de spin offrent des opportunités prometteuses pour la miniaturisation des composants de traitement du signal analogique tels que les isolateurs micro-ondes, les circulateurs et les coupleurs directionnels [2]. De plus, de nouvelles fonctionnalités émergent des concepts informatiques non booléens et basés sur les ondes, où l’amplitude et la phase des ondes de spin sont considérées comme de nouveaux degrés de liberté pour le codage de l’information [3]. Pour toutes ces raisons, les dispositifs à ondes de spin sont désormais reconnus comme une technologie crédible au-delà du CMOS.

Des études récentes ont démontré que la propagation des ondes de spin peut être façonnée de la même manière que les concepts de base en optique [4]. Dans le but d’explorer le potentiel de l’interférométrie magnonique, nous proposons d’étudier la formation de faisceaux d’ondes de spin dans des films minces continus, soit à partir de formes d’antennes, de sites de diffusion ou d’excitations non linéaires. Nous explorerons les effets de diffraction en champ proche des ondes de spin à l’échelle nanométrique pour maîtriser les interférences multifaisceaux et, à terme, concevoir des interféromètres miniatures à ondes de spin.

Pour cela, nous recourrons à la magnétométrie NV à balayage, une technologie quantique basée sur les lacunes d’azote dans le diamant, qui offre une sensibilité et une résolution spatiale sans précédent [5]. Cependant, la recherche sur les ondes de spin résolues spatialement en est à ses débuts et constitue pour l’essentiel une preuve de concept obtenue sur un système construit maison à des fréquences relativement basses (c’est-à-dire inférieures à 3 GHz). Notre objectif est d’élargir la portée des mesures sur un instrument commercial et d’élargir les gammes de champs et de fréquences pour l’imagerie des ondes de spin à l’échelle nanométrique.

Le premier résultat de ce projet sera la réalisation d’un instrument commercial capable d’imager la dynamique de magnétisation à l’échelle nanométrique à une fréquence et une plage de champ appliquée sans précédent. Nous créerons un système de mesure qui simplifie l’accès pour les utilisateurs non experts et mesurerons des appareils où la résolution nanométrique est essentielle pour comprendre les performances électriques. Nous prévoyons de développer un système de sondage intégré pour le microscope central NV commercialisé par Qnamis, dédié à l’imagerie de la dynamique de spin avec une résolution spatiale de 50 nm, et fonctionnant à des fréquences de magnon allant jusqu’à 10 GHz, et sous des champs externes appliqués jusqu’à 500 mT. L’identification de prototypes magnoniques sera obtenue à la fois par des simulations de diffraction en champ proche ainsi que par des simulations micromagnétiques. Les géométries les plus adaptées aux dispositifs magnoniques interférométriques seront ensuite élaborées à l’aide de techniques de nanofabrication.

Nous prévoyons que les résultats de ce projet exploratoire sur l’interférométrie magnon seront diffusés dans plusieurs articles de revues à comité de lecture à fort impact, ainsi que présentés lors de conférences internationales.

Ce projet de recherche s’articulera entre quatre activités majeures : (i) les simulations et la conception de prototypes magnoniques, (ii) la nanofabrication dans une installation de pointe, et (iii) la mise en place du microscope central NV et (iv) la mesure des appareils.

(i) Dans un premier temps, le doctorant effectuera des simulations à IMT Atlantique, mettant en œuvre le modèle de diffraction en champ proche pour l’onde de spin afin de sélectionner des géométries appropriées pour les dispositifs magnoniques interférométriques.

(ii) Après la sélection des conceptions, l’étudiant entreprendra des missions de nanofabrication dans la salle blanche STnano de l’IPCMS pour élaborer de vrais dispositifs. Ils seront principalement formés et supervisés sur la lithographie par faisceau électronique et optique, le dépôt de couches minces et les méthodes de gravure.

(iii) En parallèle, l’étudiant effectuera plusieurs séjours à Qnami, où il développera un module avec une capacité de sondage intégrable aux microscopes NV commercialisés par Qnami.

(iv) Enfin, l’étudiant mesurera et analysera les données NV numérisées, en mettant l’accent sur l’identification du rôle des imperfections de fabrication à l’échelle nanométrique et des sites de diffusion sur les performances globales de l’appareil.