Un verrou scientifique pour la magnonique intégrée
Les ondes de spin, ou magnons, sont des excitations collectives du réseau de spins dans les matériaux magnétiques. Elles se propagent à des fréquences comprises entre quelques gigahertz et plusieurs dizaines de gigahertz, avec des longueurs d'onde s'étendant du micromètre au nanomètre. Ces caractéristiques en font des candidates prometteuses pour le transport et le traitement de l'information dans des architectures dites « magnoniques », susceptibles de compléter ou d'enrichir l'électronique conventionnelle.
Cependant, la détection efficace des ondes de spin à ces échelles constitue un verrou majeur. Les techniques couramment employées, telles que la détection inductive par antennes micro-ondes ou les méthodes optiques, voient leur sensibilité et leur compatibilité avec l'intégration microélectronique se dégrader fortement lorsque les dimensions des dispositifs deviennent submicrométriques, limitant leur utilisation dans des circuits miniaturisés.
Une détection directe par magnétorésistance géante
Pour lever ce verrou, les chercheurs ont développé une approche reposant sur l'intégration directe d'un capteur GMR sous un guide d'ondes magnétique. Lorsqu'une onde de spin se propage dans le guide, le champ magnétique dipolaire qu'elle génère induit une oscillation de l'aimantation de la couche libre du capteur. Cette oscillation se traduit par une variation temporelle de la résistance électrique du capteur via l'effet de magnétorésistance géante, qui, sous l'application d'un courant de polarisation, est convertie en une tension micro-onde mesurable.
À surface de détection équivalente, le signal magnétorésistif ainsi obtenu est environ cinquante fois plus intense que celui issu d'une détection inductive classique. Ce gain s'explique par la loi d'échelle favorable du signal GMR, qui ne dépend pas directement de la dimension latérale du détecteur, contrairement aux antennes inductives, et demeure efficace à des tailles submicrométriques.
Validation expérimentale et apport pour le domaine
Les mesures micro-ondes réalisées sur des dispositifs nanofabriqués montrent un excellent accord avec les modèles théoriques des ondes de spin propagatives, tant en fréquence qu'en vitesse de groupe. Des simulations micromagnétiques détaillées confirment l'origine du signal mesuré et reproduisent de manière cohérente son amplitude, validant le mécanisme de couplage entre l'onde de spin et le capteur GMR.
Cette démonstration établit la détection magnétorésistive comme une approche robuste et particulièrement adaptée aux fréquences micro-ondes et aux échelles submicrométriques. Elle ouvre des perspectives nouvelles pour l'étude fondamentale des ondes de spin et pour le développement de dispositifs magnétiques compacts capables de s'interfacer efficacement avec l'électronique conventionnelle.
Ces résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.