Thèse Modélisation d'Une Diode Magnonique Basée sur la Non-Réciprocité des Ondes de Spin dans des Nanofils et des Nanotubes H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut Néel
Direction de la thèse : Jean-Christophe TOUSSAINT ORCID 0000000153823594
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59Les ondes de spin, également appelées magnons, sont des excitations de systèmes magnétiques qui ont été proposées comme moyen de transport de l'information. Le projet de doctorat porte sur le phénomène émergent de non-réciprocité des ondes de spin dans un système nanomagnétique tridimensionnel. Le sujet se situe à l'interface de la physique de la matière condensée quantique, du nanomagnétisme, de la modélisation numérique et de la spintronique des dispositifs.

Les nanofils magnétiques cylindriques constituent un cas d'école pour la physique du nanomagnétisme 3D, fournissant des ingrédients tels que des cartes tridimensionnelles d'aimantation et des effets de courbure, tout en conservant une certaine simplicité grâce à l'invariance de rotation. Des expériences récentes menées au SPINTEC sur de tels fils présentant une distribution tridimensionnelle de l'aimantation ont révélé un effet non réciproque géant (courbes de dispersion non symétriques avec des vitesses et des périodes différentes pour les ondes se propageant vers la gauche et vers la droite), allant jusqu'à créer une bande interdite pour une direction donnée de propagation (droite ou gauche).

Cette situation particulière, ainsi que le régime de transport quantique des magnons qui en résulte, n'ont pas encore été décrits théoriquement ni modélisés, ce qui ouvre un terrain inexploré et prometteur pour ce projet de thèse. Nous prévoyons de modéliser la propagation des ondes de spin et de dériver les courbes de dispersion à l'aide d'outils numériques complémentaires : le code micromagnétique interne basé sur les éléments finis feeLLGood [1] et le logiciel open source TetraX [2], dédié au calcul des modes propres.

Le travail sera mené en étroite collaboration entre expérimentateurs et théoriciens de deux laboratoires grenoblois, SPINTEC et Institut Néel, avec des collaborations internationales possibles, autour de thématiques allant des aspects fondamentaux jusqu'à la spintronique appliquée.

[1] https://feellgood.neel.cnrs.fr/
[2] https://www.tetrax.software/

La non-réciprocité des ondes de spin induite par la courbure est un effet physique nouveau, proposé théoriquement il y a une dizaine d'années [4]. Le groupe pionnier, qui reste à la pointe dans ce domaine, est celui d'Attila Kakay au HZDR (Dresden-Rossendorf, Allemagne), qui a récemment publié un logiciel open source particulièrement adapté à l'étude de cette physique (TetraX [2]). Les résultats expérimentaux sont encore peu nombreux et n'en sont qu'au stade d'indices. SPINTEC et NEEL, en étroite collaboration avec le partenaire international Lucas Perez à Madrid (concepteur et fournisseur des échantillons), ont récemment démontré un effet non réciproque clair et de grande amplitude dans des fils présentant une configuration d'aimantation 3D, marquant ainsi un bond en avant par rapport à la géométrie tubulaire considérée jusqu'alors.

Nous proposons d'étudier des structures parfaitement cylindriques afin d'analyser la propagation des ondes de spin et leur non-réciprocité, en utilisant le champ d'Oersted créé par un courant circulant directement dans la structure comme source d'excitation, comme dans les expériences préliminaires [3,5]. De cette façon, la géométrie et l'excitation présentent toutes deux une symétrie de révolution, ce qui devrait considérablement simplifier la physique et éliminer les artefacts liés aux interférences entre différents modes (les deux autres travaux préliminaires présents dans la littérature excitent les ondes de spin à l'aide de guides d'ondes coplanaires, ce qui brise l'invariance par rotation du système). Nous étudierons des fils magnétiques de diamètre égal ou supérieur à 150 nm, présentant une aimantation longitudinale à l'axe et une aimantation azimutale en périphérie, cette dernière étant l'ingrédient indispensable à la non-réciprocité. À chaque étape de la modélisation, nous prévoyons de confronter nos résultats à des expériences (caractérisation en spintronique, imagerie ptychographique résolue en temps à l'aide d'installations synchrotron, etc.) grâce à un réseau de collaborations bien établi.
Au-delà des aspects scientifiques, nous pensons que l'interaction étroite entre simulations prédictives et expériences, au coeur de ce projet, pourrait contribuer à réduire l'impact indésirable de certaines techniques expérimentales coûteuses et énergivores.
Plus précisément, du point de vue de la simulation, nous identifirons trois grands blocs de calculs (ou Tâches) à réaliser à l'aide de différents logiciels ou outils de post-traitement.

Environnement de travail : Nous travaillons ensemble et échangeons des idées lors de réunions hebdomadaires au sein d'une équipe composée de théoriciens et d'expérimentateurs (D. Gusakova, SPINTEC, O. Fruchart, SPINTEC ; A. Masseboeuf, SPINTEC ; L. Cagnon, NEEL ; C. Thirion, NEEL JC. Toussaint, NEEL, E. Bonet, NEEL, L. Perez, IMDEA), ce qui maintient un environnement stimulant sur le plan humain, et idéal pour favoriser l'émergence de nouveaux concepts et de leurs applications.
Logiciels : Certaines des tâches s'appuient sur notre logiciel open source maison polyvalent et multi-physique feeLLGood, qui est continuellement enrichi de nouvelles fonctionnalités. Nous bénéficions également de la proximité d'experts en programmation (Christophe Thirion, NEEL ; Edgar Bonet, NEEL) qui nous aident à maintenir différentes versions du code, le site web dédié, et à traiter les problèmes liés aux serveurs de calcul. Nous prévoyons également d'utiliser le logiciel open source externe TetraX, que nous avons préalablement testé de manière approfondie.

Collaborations : Notre collaboration bien établie avec des experts en sciences du calcul (O. Coulaud, Inria) contribue à améliorer continuellement les performances de notre logiciel. Des avancées récentes nous ont permis d'envisager le traitement de grands systèmes micromagnétiques, tels que des cylindres de plus de 2 000 nm de long et jusqu'à 200 nm de diamètre, qui sont prévus dans le cadre de ce projet.