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

Le phenomene de fort couplage photon-magnon dans les systemes constitues d’un echantillon ferromagnetique place dans une cavite hyperfrequences a connu un interet scientifique marque au cours des dernieres annees. Ce domaine emergent, portant le nom d’electromagnonique de cavite, offre des promesses tres interessantes au niveau du traitement de l’information quantique, particulierement pour l’etablissement de reseaux quantiques en permettant la conversion coherente bidirectionnelle d’un photon micro-ondes vers un photon optique. Ce domaine represente egalement un terrain d’etude vaste pour les systemes quantiques hybrides, car il a ete demontre qu’il etait possible de former des systemes coherents triplement resonants, par exemple en couplant le systeme photon-magnon a un phonon, a un qubit supraconducteur ou a un photon optique. Ces systemes ont donne naissance aux nouveaux domaines connus sous les noms de magnomecanique de cavite, de magnonique quantique et d’optomagnonique de cavite, respectivement. Ces systemes quantiques hybrides ont un avenir prometteur pour le developpement de nouvelles technologies basees sur le transfert coherent de l’information quantique. Dans cette these, nous nous interessons au phenomene de fort couplage photon-magnon dans les reseaux de nanofils ferromagnetiques. Ces materiaux effectifs, a eux seuls, presentent un fort interet technologique puisque leurs proprietes electriques et magnetiques peuvent etre concues avec une grande flexibilite par la modification de leurs parametres geometriques et par la modification de l’anisotropie des fils les constituant. Ces reseaux de nanofils font donc l’objet de plusieurs investigations visant a les employer dans des dispositifs micro-ondes, tels que des isolateurs multibandes. Ils font egalement partie de la famille des cristaux magnoniques, dont l’ingenierie des relations de dispersion pourrait permettre le developpement d’un nouveau type de traitement de l’information base sur les ondes de spin. Le Laboratoire de magnetisme de Polytechnique Montreal, ou la majorite des travaux contenus dans cette these a pris place, possede depuis plusieurs annees une expertise dans la fabrication et la caracterisation des reseaux de nanofils ferromagnetiques et c’est cette expertise qui nous a lance sur la voie d’etude empruntee dans cet ouvrage. En particulier, des experiences de resonance ferromagnetique effectuees dans la plage de frequences allant de 50 GHz a 75 GHz peu de temps avant le debut de nos travaux ont mis en evidence des phenomenes de couplage inattendus et inexpliques. Nous avons formule l’hypothese que ces phenomenes de couplage proviennent d’un couplage du mode de resonance ferromagnetique 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 Montreal in the Laboratoire de magetisme, 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.