Thèse Génération et Détection Active d'Ondes Acoustiques par des Nanodispositifs Spintroniques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Thibaut DEVOLDER ORCID 0000000179980993 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Les technologies de traitement du signal radiofréquence reposent aujourd'hui massivement sur les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), largement utilisés en télécommunications et dans les capteurs. Ces composants sont toutefois passifs et figés : leur fréquence de fonctionnement est fixée par la géométrie des transducteurs interdigités (IDT) et ils dépendent de substrats piézoélectriques, ce qui limite fortement leur intégration sur les plateformes CMOS silicium. En parallèle, les oscillateurs spintroniques, en particulier les oscillateurs nano à effet Hall de spin (SHO), se sont imposés comme des sources micro-ondes nanométriques accordables par un courant continu, mais leur couplage aux phonons reste encore peu exploré.
Ce projet de thèse se place précisément à la frontière entre ces deux mondes. Il vise à démontrer qu'un nanodispositif magnétique peut générer, contrôler et détecter activement des phonons acoustiques à haute fréquence (4-10 GHz) grâce au couplage magnéto-élastique. L'hypothèse centrale est que les SHO, excités par un courant continu, peuvent émettre des ondes acoustiques cohérentes par magnétostriction, et qu'inversement une onde acoustique incidente peut moduler - voire déclencher - le régime d'auto-oscillation d'un SHO polarisé sous son seuil. Ce schéma bidirectionnel ouvre la voie à un transducteur phononique spintronique universel, accordable et fonctionnant également sur silicium non piézoélectrique.
Le doctorant participera à la microfabrication en salle blanche des dispositifs (nanostructures magnétiques Ni, CoFeB, YIG sur substrats LiNbO, Si et GGG) au C2N. Il/elle caractérisera leur réponse par mesures électriques haute fréquence, par spectroscopie Brillouin micro-focalisée (µBLS) et par détection électrique via IDT. Les résultats expérimentaux seront interprétés à l'aide de simulations micromagnétiques couplées élastodynamiques (MuMax3, COMSOL). L'aboutissement du travail sera la démonstration d'un prototype de transducteur phononique spintronique intégrant émission et détection sur un même substrat. Ce projet s'inscrit dans la continuité des récents progrès de la spintronique hyperfréquence et du regain d'intérêt pour les dispositifs phononiques accordables pour les applications 5G/6G. Il prolonge les résultats préliminaires obtenus dans le groupe NOMADE du C2N, incluant la démonstration numérique du verrouillage d'oscillateurs vortex par SAW, et la fabrication de premiers dispositifs Ni/Si or CoFeB/ Si au C2N. Le projet poursuit trois objectifs scientifiques complémentaires :
(1) Démontrer et optimiser une génération efficace de phonons à partir de nanostructures magnétiques, excitées soit par une antenne RF, soit par un courant spintronique continu dans des oscillateurs nano à effet Hall de spin (SHO), sur substrats piézoélectriques (LiNbO) et non piézoélectriques (Si, GGG).
(2) Établir une détection spintronique des phonons, en montrant que des ondes acoustiques incidentes peuvent moduler, verrouiller ou déclencher le régime d'auto-oscillation des SHO polarisés sous leur seuil, et quantifier la sensibilité associée.
(3) Intégrer émission et détection dans un transducteur phononique universel, et en démontrer l'accordabilité, la cohérence et l'efficacité énergétique comme preuve de concept d'un composant phononique-spintronique reconfigurable. Le travail combine trois volets étroitement couplés :
- Nanofabrication (C2N, plateforme PIMENT/Renatech+) : dépôt de couches minces magnétiques (Ni, CoFeB, YIG), lithographie électronique de stripes magnétiques et de constrictions SHO, gravure par faisceau d'ions, définition de guides d'ondes RF et d'IDT adaptés aux fréquences magnéto-élastiques visées.
- Caractérisation haute fréquence et optique : spectroscopie propagative d'ondes de spin et SAW par analyseur de réseau vectoriel (VNA), caractérisation DC+RF des SHO (seuil d'auto-oscillation, bruit de phase, injection-locking), spectroscopie Brillouin micro-focalisée (µBLS) résolue spatialement et en polarisation pour discriminer les contributions magnoniques et phononiques.
- Modélisation : simulations micromagnétiques couplées élastodynamiques avec MuMax3 (dans sa version incluant le couplage magnéto-élastique) et modélisation acoustique multi-physique avec COMSOL, afin d'identifier les modes de Rayleigh et de Sezawa, d'analyser les interactions non linéaires magnon-phonon et de fermer la boucle fabrication / mesure / simulation.

Étudiant(e) hautement motivé(e) titulaire d'un Master 2 en physique de la matière condensée, nanosciences, électronique ou équivalent. Solides bases en physique du solide, électromagnétisme et physique des ondes. Une expérience préalable en nanofabrication en salle blanche, en mesures RF / micro-ondes, en spectroscopie optique ou en simulation (MuMax3, COMSOL, Python/Matlab) est un atout. Autonomie, rigueur expérimentale et bonne capacité de communication scientifique en anglais sont requises.