Dynamique non linéaire d’aimantation excitée par des ondes acoustiques de surface // Nonlinear magnetization dynamics triggered by surface acoustic waves

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)

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RF signals are everywhere in today’s connected society. On one side, surface acoustic wave (SAW) devices built on piezo-electric substrates are widely used to distinguish between frequencies. While quite energy efficient, SAW devices mostly operate in narrowband applications and perform linear, frequency-conserving operations. On the other side, magnonic devices rely on the specific properties of spin-waves (SW) in ferromagnetic materials and are highly tunable and nonlinear, but suffer from significant insertion losses. Fortunately, magneto-elastic and magneto-rotation effects can couple the dynamics of magnetization in a thin ferromagnetic film deposited on top of a piezo-electric substrate to the one of its lattice. For instance, we have recently demonstrated that it is possible to excite the linear magnetization dynamics of a ferromagnetic CoFeB nanodisk thanks to SAW electrically actuated in the underlying LiNbO3 substrate [1].

The objective of this thesis will be to demonstrate that this can also be achieved in a nonlinear regime. For this, we will magnetize the ferromagnetic disk in the plane. In this configuration, the precession of magnetization is elliptical, which allows to excite parametrically spin-wave eigenmodes of the disk using an RF magnetic field parallel to the disk’s magnetization with a frequency close to twice the eigenfrequencies [2]. The originality here will be to replace the RF excitation field usually produced by an inductive antenna by the effective tickle and rolling fields associated to the magneto-elastic and magneto-rotation terms active when a SAW is excited in the substrate. These measurements will be performed on samples fabricated in collaboration with another laboratory (C2N) and thanks to a highly sensitive magnetic resonance force microscopy technique developed at SPEC. Micromagnetic simulations using Mumax3 will also be conducted to understand the SAW excitation threshold to be overcome to excite parametric modes in the disk.

This thesis will take place in the context of the recently funded project NELSON (« Non-Linear Surface acoustic wave platform enabled by spin wave hybridizatiON ») by the French ANR.

[1] R. Lopes Seeger et al., Phys. Rev. Lett. 134, 176704 (2025)
[2] T. Srivastava et al., Phys. Rev. Appl. 19, 064078 (2023)
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes
Date de début souhaitée : 01-11-2026
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : de Loubens Grégoire
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/LNO
URL : https://iramis.cea.fr/spec/lno/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

master 2 physique