En physique de la matière condensée, une onde de spin est une perturbation magnétique qui se propage au sein d’un matériau . Ces excitations collectives aussi dénommées « magnons » sont des modes d’oscillation du réseau de spin. Il vient d’être montré qu’il est possible de détecter ces ondes de spin en les couplant à un capteur magnétorésistif opérant à très haute fréquence.
Les ondes de spin, ou « magnons », sont des modes de vibration magnétique locale d’un matériau. Il est désormais proposé d’utiliser ce type d’ondes pour transporter des informations dans de nouvelles architectures de traitement, appelées « magnoniques », et de les coupler à des dispositifs magnétiques capables d’enregistrer ces informations. Ce transfert nécessite l’utilisation de circuits microélectroniques, ce qui implique la conversion des ondes de spin en un signal électrique. Il est cependant difficile, avec les techniques utilisées à ce jour, telles que l’imagerie optique ou la détection inductive, de détecter ces ondes à des échelles inférieures au micromètre, alors que les technologies actuelles se développent à l’échelle nanométrique, et nécessitent le développement de nouvelles méthodes.
Dans le cadre du programme national PEPR Spin, une nouvelle méthode vient d’être mise au point pour détecter plus efficacement les ondes de spin. Pour ceci, un capteur à magnétorésistance géante (GMR) est directement intégré sous un guide d’ondes. Le passage des ondes à proximité du capteur induit une légère oscillation de l’aimantation de la couche douce du capteur, ce qui en modifie la résistance. Cette oscillation de résistance, à une fréquence de quelques gigahertz, conduit à un signal électrique mesurable. Grâce à ce dispositif, et pour une surface de détection équivalente, un signal cinquante fois plus intense que celui obtenu avec la méthode inductive est observé. Cette mesure montre que la détection magnétorésistive fonctionne remarquablement bien à l’échelle nanométrique et pour ces très hautes fréquences. Ces résultats sont confirmés par des simulations numériques qui reproduisent fidèlement le comportement du signal observé en laboratoire.
Figure : Représentation du capteur magnétorésistif (en vert) et de ses électrodes de connexion (doré). L’échelle de couleur représente l’oscillation de l’aimantation dans l’onde de spin (bleu-rouge). Crédit : Quentin Rossi
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. De plus, en utilisant des capteurs plus sensibles, comme ceux à magnétorésistance tunnel (TMR), il doit être possible d’augmenter encore davantage le signal.
Ces résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Contact IRAMIS : Grégoire de Loubens (SPEC/LNO).
Collaboration :
- Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg – IPCMS, UMR CNRS -Université de Strasbourg,
- Service de Physique de l’État Condensé (SPEC, UMR CEA-CNRS)
Référence :
Magnetoresistive detection of spin waves,
Quentin Rossi, Daniel Stoeffler, Gregoire De Loubens, Hugo Merbouche, Hicham Majjad, Yves Henry, Igor Ngouagnia, Aurelie Solignac, Matthieu Bailleul, Science Advances 11 (2025) eadx4126 – hal.science/hal-05215204.
Voir également :
- Actualité du CNRS-Physique : « Détection magnétorésistive des ondes de spin« .
- Sur le site de l’IPCMS