L’équipe NSF (NanoStructures Fonctionnelles) est à la croisée de la dynamique de spin et de la photonique et a pour objectif l’étude et le développement d’objets nano-structurés magnétiques fonctionnels pour le traitement et la transmission de l’information, en vue d’élaborer des applications innovantes combinant haute performance et efficacité énergétique, et pouvant remplacer les dispositifs électroniques traditionnels.
Thématiques de recherche
L’équipe NSF s’inscrit dans deux thèmes majeurs : l’exploitation du magnétisme en vue de développer des dispositifs mettant en oeuvre les ondes de spins et l’utilisation de l’aimantation comme moyen de contrôle des propriétés de structures photoniques fonctionnelles.
Le premier thème est centré autour de la magnonique, nouvelle discipline associant ingénierie micro-onde et nanomagnétisme, qui se présente comme une mine d’applications innovantes en rupture avec l’électronique conventionnelle. L’une de ses propriétés clés est que le transfert de spin entre électrons peut être réalisé indépendamment du courant électrique, ce qui réduit consommation d’énergie et émission de chaleur. La physique des mécanismes de transport de spin offre plusieurs pistes, dont l’une des plus prometteuses est l’utilisation des ondes de spin (ou leur quanta d’énergie, les magnons). En vue de l’élaboration de nouvelles technologies de l’information opérant dans la gamme des micro-ondes (1-50 GHz), les ondes de spin ouvrent des perspectives d’applications novatrices (logique non-booléenne, traitement parallèle de données, informatique neuromorphique). De plus, les longueurs d’ondes des magnons (100 nm–100 μm), nettement inférieures aux longueurs d’ondes électromagnétiques, ainsi que la non-réciprocité de leur relation de dispersion, permettent d’envisager la miniaturisation des dispositifs micro-ondes traditionnels (isolateurs, circulateurs, lignes à retard...).
Le deuxième thème est centré sur la modélisation de nanostructures exploitant magnétophotonique et/ou plasmonique. Un résultat récent au sein de l’équipe concerne l’amplification résonante de plasmons polaritons de surface dans un nanotube de carbone parcouru par un courant électrique. L’extension de ce principe à des magnons constitue un objectif important. On s’intéressera également à l’inclusion de milieux magnétiques dans des structures multicouches (par exemple des cristaux magnétophotoniques aux bandes interdites contrôlables par l’aimantation). On étudie le couplage entre couches magnétophotoniques et couches électro-optiques en vue d’amplifier et de contrôler des décalages de faisceaux (effets Goos-Hänchen et Imbert-Fedorov) extrêmement sensibles à de très faibles perturbations du milieu ambiant, ce qui ouvre la voie au design de nanocapteurs (température, pollution gazeuse,...). On s’attache aussi à la recherche de nouvelles fonctionnalités combinant magnétophotonique et magnétoplasmonique, afin de contrôler les propriétés des plasmons via des champs magnétiques ou, inversement, de contrôler les propriétés magnétiques avec la lumière.
Moyens et équipements
Le volet « magnonique » de l’équipe NSF bénéficie d’équipements actuellement en cours de construction (banc très large bande (50 GHz) pour la caractérisation de couches minces par résonance ferromagnétique (FMR) et station de test sous pointes dédiée à la spectroscopie d’ondes de spin propagatrices dans des objets nanolithographiés).
Des investissements à plus long terme viseront à développer un banc cryogénique muni de bobines supraconductrices pour l’étude de cavité dédiée à la magnonique quantique.
Le volet « magnétophotonique » de l’équipe fait appel, pour ses activités de modélisation, à des solveurs numériques, notamment COMSOL Multiphysics.
Positionnement national et international
L’équipe NSF se positionne, dans le cadre de l’étude de dispositifs magnoniques, à travers des collaborations avec des partenaires académiques et industriels locaux (Elliptika, UBO-Optimag), nationaux (IPCMS) et internationaux (University of Western Australia, Université de Vienne). Elle se positionne également en partageant et développant son expertise en modélisation magnétophotonique et plasmonique via des collaborations nationales (Institut FOTON) et internationales (Université d'Etat d’Ulyanovsk (Russie), Université Adam Mickiewicz de Poznań (Pologne)...).