Vincent CASTEL

Je fais partie de l’équipe NSF du Lab-STICC (UMR 6285) au département micro-ondes de IMT Atlantique (campus de Brest). L’équipe NSF (NanoStructures Fonctionnelles) est à la croisée de la dynamique de spin et de la photonique. Cette équipe a pour objectif l’étude et le développement d’objets nanostructurés magnétiques 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. 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.

L’équipe NSF/IMT Atlantique apporte son expertise dans le domaine de la dynamique de spin. Elle est composée de deux enseignants chercheurs (Vincent Vlaminck et moi-même), de 4 doctorants (bénéficiant de financements ANR PRCI, ANR PRCE, Brest Métropole, et co-tutelle Australie), et d’un ingénieur (CDD de 2 ans, plan de relance). Depuis décembre 2020, l’équipe NSF/IMT Atlantique s’est installée dans un nouvel espace de travail remis à neuf par le département micro-ondes. Cet espace regroupe l’ensemble des équipements de l’activité de recherche sur la dynamique de spin à température ambiante (spin cavitronics et spectroscopie d’ondes de spin) et pour l’impression 3D, utilisée pour le prototypage de cavités RF.

Arrivé en février 2015, mes travaux de recherche se sont inscrits naturellement autour des compétences acquises pendant ma thèse et les différents contrats post doctoraux et aussi autour des compétences présentes au département Micro-ondes de IMT Atlantique. L’objectif était de créer une thématique nouvelle alliant applications RF et magnétisme. Fin 2015, un nouvel axe de recherche sur le couplage magnon (matériaux magnétiques conducteurs NiFe ou YIG) photon (cavité RF / résonateur planaire) semble émergé. Je m’investis alors dans cette direction, la spin cavitronics, et renforce par la même occasion mes liens avec l’industrie pour la fabrication des dispositifs RF.

La spin cavitronics (également appelée cavity spintronics ou cavity magnonics) est un domaine de recherche émergent qui étudie les interactions lumière-matière au sein du magnétisme, et plus précisément les interactions entre les photons de cavité et les magnons, les quanta d’ondes de spin basés sur l’interaction dipolaire magnétique. Les ondes de spin sont les excitations collectives qui transportent le moment angulaire dans les matériaux magnétiques. Elles jouent un rôle très important dans de nombreuses applications micro-ondes en raison de leur relation de dispersion qui est accordable sur une très large gamme de fréquence (plusieurs octaves) grâce à l’application d’un champ magnétique externe. Le grenat d’yttrium de fer (YIG) est, de ce point de vue, le matériau de choix en raison de son très faible coefficient de perte (magnétique et électrique) qui permet la conduction des ondes de spins en principe sur de très grandes distances (pratiquement millimétriques). Le YIG est notamment utilisé dans de nombreux dispositifs micro-ondes tels les filtres passe-bande, les oscillateurs accordables, les isolateurs, et les circulateurs.

La spin cavitronics est interdisciplinaire par définition, expérimentale & concrète, et connectée à l'industrie (3/4 des contrats en collaboration avec au moins un industriel).

L’objectif à long terme de cette activité est de développer une expertise sur la caractérisation basse température en cavité 3D et sur des résonateurs supraconducteurs en vue de s’orienter vers des dispositifs pour l’information quantique. En effet, au coeur de la spin cavitronics se trouvent les polaritons de cavité-magnon (CMP) qui sont les quasi-particules bosoniques associées aux états hybrides cavité-magnon-photon dans le régime de couplage fort. Ces nouveaux systèmes hybrides prometteurs, basés sur les CMPs, proposent une nouvelle voie pour transmettre et traiter l’information. Ce système se caractérise par une grande capacité d’accord, un temps de cohérence et d’un couplage élevé, et il offre la possibilité de se coupler à une multitude d’autres systèmes dont des qubits supraconducteurs.