Microscopie Brillouin à focalisation micrométrique et simulations micromagnétiques des dynamiques linéaires des ondes de spin et des interactions non linéaires dans de petits disques de grenat d'yttrium-bismuth

Les ondes de spin sont les excitations élémentaires des matériaux magnétiques. L'un des aspects attractifs des ondes de spin réside dans leurs effets non linéaires, qui peuvent être atteints avec des puissances d'excitation RF modérées. Cette thèse porte sur le grenat de fer, d'yttrium et de bismuth (BiYIG), connu pour présenter l'un des plus faibles coefficients d'amortissement parmi tous les matériaux magnétiques. Un faible amortissement réduit le seuil de puissance nécessaire pour obtenir des interactions non linéaires et prolonge la durée de vie des ondes de spin.Dans les nanodisques magnétiques de diamètres allant de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres, l'état vortex est la configuration magnétique stable. Nous avons utilisé des simulations micromagnétiques pour obtenir la relation de dispersion dans des disques de l'ordre du micromètre et du sous-micromètre. Nous avons étudié l'effet du cœur du vortex sur les modes d'ondes de spin, qui entraîne un dédoublement des fréquences pour les modes azimutaux de directions de rotation opposées (horaire et antihoraire). Cette propriété n'est pas spécifique aux disques de BiYIG, mais constitue une caractéristique générale des structures confinées.Grâce à des mesures par diffusion Brillouin de lumière (BLS) focalisée à l'échelle microscopique, nous avons étudié la dynamique linéaire et non linéaire des ondes de spin dans un disque de BiYIG de 500 nm en état de vortex. Le vortex a été nucléé à l'aide de l'excitation RF hors plan générée par l'antenne en forme de (Omega). Notre étude s'est concentrée sur le division à trois magnons, où un mode radial à ƒ se divise en deux modes à ƒ/2+δƒ et ƒ/2-δƒ. L'hybridation avec le cœur du vortex modifie les règles de sélection du division à trois magnons. Nous avons également étudié le pompage paramétrique en excitant le disque à des fréquences ne correspondant pas aux modes radiaux, ce qui entraîne la génération de paires de modes autour de ƒ/2. Nos résultats expérimentaux ont été comparés aux simulations micromagnétiques, montrant un excellent accord. Par ailleurs, les simulations ont révélé que l'anisotropie cubique du BiYIG amplifie la giration du cœur du vortex. Les interactions non linéaires obtenues sont non commutatives, ce qui peut être exploité dans le calcul non conventionnel, notamment en informatique réservoir.Pour le même disque de 500 nm, nous avons changé la configuration magnétique en un état magnétisé dans le plan. Le champ statique appliqué dans le plan modifie les fréquences des modes d'ondes de spin et permet d'identifier les conditions favorables aux interactions non linéaires. Nous avons observé un spectre riche en interactions non linéaires, incluant le division à trois magnons et une cascade de division à trois magnons, où plusieurs canaux thermiques autour de ƒ/2 induisent des interactions successives. L'excitation du mode uniforme ƒ₀ conduit aux première, deuxième et troisième instabilités de Suhl. La première instabilité de Suhl correspond à un division à trois magnons, où un magnon à ƒ₀ se décompose en deux magnons à ƒ₀/2. La deuxième instabilité de Suhl implique une diffusion à quatre magnons, où deux magnons à ƒ₀ s'annihilent pour créer deux nouveaux magnons. La troisième instabilité de Suhl décrit l'annihilation de trois magnons à ƒ₀, générant deux magnons autour de 3ƒ₀/2. Des mesures BLS résolues en temps ont permis de suivre la séquence de ces processus : d'abord, la diffusion à quatre magnons, suivie de l'apparition d'un mode à ƒ/2 via le division à trois magnons, puis l'apparition de deux modes autour de 3ƒ₀/2. Toutes ces interactions non linéaires ont également été reproduites à l'aide de simulations micromagnétiques, démontrant une forte concordance entre les mesures et les prédictions numériques.