Fort couplage photon-magnon d'échantillons ferromagnétiques dans des cavités hyperfréquences : Application aux réseaux de nanofils ferromagnétiques

Le phénomène de fort couplage photon-magnon dans les systèmes constitués d'un échantillon ferromagnétique placé dans une cavité hyperfréquences a connu un intérêt scientifique marqué au cours des dernières années. Ce domaine émergent, portant le nom d'électromagnonique de cavité, offre des promesses très intéressantes au niveau du traitement de l'information quantique, particulièrement pour l'établissement de réseaux quantiques en permettant la conversion cohérente bidirectionnelle d'un photon micro-ondes vers un photon optique. Ce domaine représente également un terrain d'étude vaste pour les systèmes quantiques hybrides, car il a été démontré qu'il était possible de former des systèmes cohérents triplement résonants, par exemple en couplant le système photon-magnon à un phonon, à un qubit supraconducteur ou à un photon optique. Ces systèmes ont donné naissance aux nouveaux domaines connus sous les noms de magnomécanique de cavité, de magnonique quantique et d'optomagnonique de cavité, respectivement. Ces systèmes quantiques hybrides ont un avenir prometteur pour le développement de nouvelles technologies basées sur le transfert cohérent de l'information quantique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au phénomène de fort couplage photon-magnon dans les réseaux de nanofils ferromagnétiques. Ces matériaux effectifs, à eux seuls, présentent un fort intérêt technologique puisque leurs propriétés électriques et magnétiques peuvent être conçues avec une grande flexibilité par la modification de leurs paramètres géométriques et par la modification de l'anisotropie des fils les constituant. Ces réseaux de nanofils font donc l'objet de plusieurs investigations visant à les employer dans des dispositifs micro-ondes, tels que des isolateurs multibandes. Ils font également partie de la famille des cristaux magnoniques, dont l'ingénierie des relations de dispersion pourrait permettre le développement d'un nouveau type de traitement de l'information basé sur les ondes de spin. Le Laboratoire de magnétisme de Polytechnique Montréal, où la majorité des travaux contenus dans cette thèse a pris place, possède depuis plusieurs années une expertise dans la fabrication et la caractérisation des réseaux de nanofils ferromagnétiques et c'est cette expertise qui nous a lancé sur la voie d'étude empruntée dans cet ouvrage. En particulier, des expériences de résonance ferromagnétique effectuées dans la plage de fréquences allant de 50 GHz à 75 GHz peu de temps avant le début de nos travaux ont mis en évidence des phénomènes de couplage inattendus et inexpliqués. Nous avons formulé l'hypothèse que ces phénomènes de couplage proviennent d'un couplage du mode de résonance ferromagnétique avec un mode photonique.

Abstract

The strong photon-magnon coupling regime has been the subject of numerous studies in the past few years. Systems involving a ferromagnetic sample placed inside a microwave cavity form the prototypical example of this new field called cavity electromagnonics. Attraction to this field of research resides mainly in its potential for quantum information processing. As an example, it has been shown that this strong photon-magnon coupling can lead to a coher-ent bidirectional conversion of microwave photons to optical photons. This could pave the way to the development of long-range quantum networks based on superconducting quantum circuits. The strong photon-magnon coupling also allows the coherent coupling to a third oscillator, which opens many possibilities in the general field of quantum hybrid systems. For example, the strongly coupled photon-magnon system can also interact coherently with a phonon, a superconducting qubit or an optical photon. These findings lead to new fields of research, namely cavity magnomechanics, quantum magnonics and cavity optomagnon- ics. These fields all have the potential to bring important developments for the coherent manipulation of quantum information. In this thesis, we are interested in the strong photon-magnon coupling regime described above in samples of ferromagnetic nanowire arrays. These nanowire arrays are interesting for the various technological advantages they could bring in the development of microwave devices and in the field of spintronics. These advantages mainly come from the fact that the effective properties of these arrays can be designed to serve different goals, from tuning the anisotropy of the whole array to engineering the dispersion relations in order to create magnonic band gaps. Ferromagnetic nanowire arrays could find useful applications, for example, in multi-modal isolators and in spintronic devices as magnonic crystals, allowing the processing of information carried out in the form of spin waves. The research presented in this thesis was mainly done at Polytechnique Montréal in the Laboratoire de magétisme, which has a strong expertise in the fabrication and characterization of these ferromagnetic nanowire arrays. This expertise initiated our studies of the strong coupling regime in these materials, as it was noticed, shortly before the works presented here, that the ferromagnetic resonance spectra of our nanowire arrays were showing coupling signatures with an unknown and unpredicted mode of resonance in the frequency range between 50 GHz to 75 GHz. This observation led to the hypothesis that this unknown mode was in fact a photonic one.