Détection magnétorésistive des ondes de spin

Les ondes de spin ou « magnons » sont des vibrations locales de l’aimantation des matériaux magnétiques. Il a récemment été proposé de les utiliser dans des nouvelles architectures de traitement de l’information dites « magnoniques », qui combineraient la facilité d’interconnexion des systèmes ondulatoires avec les capacités des systèmes magnétiques à enregistrer de l’information. Pour ce faire, il est nécessaire de les interfacer avec des circuits micro-électroniques, ce qui implique de convertir ces ondes de spin en un signal électrique à une échelle nanométrique pertinente pour les technologies actuelles. Les techniques utilisées jusqu’à présent - comme l’imagerie optique ou la détection inductive - peinaient à capter ces ondes à des échelles sub-micrométriques.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg)
• Service de physique de l'état condensé (SPEC, CEA/CNRS)

Des chercheurs et chercheuses ont mis au point une nouvelle méthode pour détecter efficacement les ondes de spin dans le cadre du programme national PEPR Spin. L’équipe a intégré un capteur à magnétorésistance géante directement sous un guide d’ondes. Lorsque ces dernières passent à proximité du capteur, elles font légèrement osciller l’aimantation d’une des couches du capteur. La résistance électrique du capteur change de ce fait, et cette variation se transforme en un signal mesurable à une fréquence de quelques gigahertz. Grâce à ce dispositif, les scientifiques ont mesuré un signal cinquante fois plus intense que celui obtenu avec la méthode inductive, pour une surface de détection équivalente. Cette mesure montre que la détection magnétorésistive fonctionne remarquablement bien à l’échelle nanométrique et pour ces très hautes fréquences. Les chercheurs et chercheuses ont en outre confirmé ces résultats par des simulations numériques qui reproduisent fidèlement le comportement observé en laboratoire.

En utilisant des capteurs plus sensibles, comme ceux à magnétorésistance tunnel, il serait même possible d’augmenter encore davantage le signal. Cette innovation ouvre ainsi la voie à des capteurs d’ondes de spin ultra-compacts, capables de fonctionner dans des régimes extrêmes (à des échelles de taille inférieures à 100 nm, ou en utilisant des ondes de spin générées par les fluctuations thermiques par exemple). Elle pourrait aussi permettre d’intégrer plus facilement la magnonique dans les circuits électroniques classiques, et ainsi concevoir de nouvelles architectures plus rapides et plus économes en énergie. Ces résultats sont publiés dans la revue Science Advances.