Contrôle élastique de la dynamique des ondes de spin dans les cristaux magnoniques : expériences et simulations numériques

Elastic control of spin waves dynamics in magnonic crystals : experiments and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Stéphane Chiroli
• Direction : Fatih Zighem, Damien Faurie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (Villetaneuse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Gallais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adekunle O. Adeyeye, Denys Makarov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégoire de Loubens, Liliana-Daniela Buda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferromagnétisme

Matériaux -- Propriétés magnétiques

Matériaux -- Propriétés électromagnétiques

Mots clés libres

Micromagnétisme

Magnétoélasticité

Ondes de spin

Micromagnetism

Magnetoelasticity

Spin waves

Résumé

La straintronique magnétique est un domaine en plein essor, orienté vers le développement de capteurs avancés et de technologies innovantes de traitement et de stockage de l'information, en exploitant des systèmes magnétiques soumis à des contraintes mécaniques. Ce mariage entre mécanique et magnétisme est rendu particulièrement prometteur grâce à la magnétoélasticité, qui se traduit à la fois par une modification des propriétés magnétiques sous l'effet de déformations, et par l'apparition de déformations induites par des variations de la configuration magnétique. L'objectif de ce travail est d'explorer l'évolution des fréquences propres des ondes de spin dans des couches ferromagnétiques continues et dans des structures nanostructurées périodiquement, appelées cristaux magnoniques, lorsqu'elles sont soumises à des déformations. Cette étude est menée expérimentalement via les techniques de résonance ferromagnétique et de spectroscopie par diffusion Brillouin. En parallèle, un modèle numérique par éléments finis est développé, intégrant de manière complète le couplage entre micromagnétisme et mécanique des solides, pour pallier les limitations des logiciels classiques de simulation micromagnétique face aux problèmes complexes liés aux essais mécaniques. Les résultats montrent un contrôle efficace des fréquences et des bandes magnoniques dans le régime élastique, ainsi que la possibilité de prédire des couplages potentiels entre ondes de spin et ondes acoustiques.

Magnetic straintronics is a rapidly growing field aimed at developing advanced sensors and innovative technologies for information processing and storage by leveraging magnetic systems subjected to mechanical strain. This combination of mechanics and magnetism is particularly promising due to magnetoelasticity, which manifests in two ways: changes in magnetic properties when the system is deformed, and the appearance of deformations caused by changes in the magnetic configuration. The goal of this work is to study the evolution of the eigenfrequencies of spin waves in continuous ferromagnetic films and periodically nanostructured layers, known as magnonic crystals, under mechanical strain. This is investigated experimentally using ferromagnetic resonance and Brillouin light scattering spectroscopy. Additionally, a finite element numerical model is developed to fully couple micromagnetism and solid mechanics, addressing the limitations ofconventional micromagnetic simulation software when dealing with complex mechanical testing scenarios. The results demonstrate effective control over these frequencies and magnonic band structures within the elastic regime, as well as the potential for predicting coupling effects between spin waves and acoustic waves.