Les skyrmions, de minuscules vortex magnétiques, sont considérés comme des candidats prometteurs pour les dispositifs de mémoire d'informations de demain, capables d'atteindre d'énormes capacités de stockage et de traitement de données. Une équipe de recherche dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a développé une méthode pour faire croître un matériau magnétique en couche mince particulier qui héberge ces vortex magnétiques. Un aspect central de cette nouvelle méthode est l'échauffement brutal du matériau avec de courtes, éclairs très lumineux, que l'équipe internationale, composé de scientifiques du HZDR, l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde, TU Dresde (TUD), et partenaires chinois, décrit dans le journal Matériaux fonctionnels avancés .

En 2009, une équipe de recherche a fait une découverte remarquable :ils ont découvert que de minuscules tourbillons magnétiques peuvent se former dans un matériau appelé siliciure de manganèse, un alliage de manganèse et de silicium. Depuis, ces skyrmions, du nom du physicien britannique Tony Skyrme, ont été considérés comme des candidats prometteurs pour les futurs dispositifs de stockage magnétique. Ils peuvent être facilement formés et effacés des surfaces et ne dépassent pas quelques nanomètres (milliards de mètre), ce qui les rend beaucoup plus petits que les bits magnétiques des disques durs actuels qui mesurent environ 50 nanomètres.

"En outre, les skyrmions peuvent être mieux ciblés avec de l'électricité qu'avec des champs magnétiques, comme c'est le cas avec les disques durs actuels, " explique le Dr Shengqiang Zhou, un physicien à l'Institut de recherche sur la physique et les matériaux des faisceaux ioniques du HZDR. "Le ciblage avec un courant électrique nous permet d'atteindre une meilleure évolutivité, ce qui pourrait nous permettre de construire des périphériques de stockage beaucoup plus denses et plus rapides à l'avenir. " Mais il y a encore des obstacles à surmonter en cours de route. Entre autres choses, le silicium et le manganèse présentent une propriété défavorable lorsqu'ils forment des cristaux de siliciure de manganèse :au lieu de produire systématiquement un seul, phase bien définie, les deux éléments peuvent former de nombreuses phases cristallines différentes. Couches minces d'un alliage Mn-Si, connue sous le nom de phase B20, sont particulièrement adaptés à la formation de skyrmions.

Phases cristallines indésirables

Produire cet alliage est tout sauf facile, bien que, car une autre phase cristalline indésirable, appelé MnSi1.7, se forme inévitablement au cours du processus de production, empêchant ou empêchant la formation de skyrmions. Spécifiquement, des températures plus basses et un refroidissement plus lent du matériau favorisent MnSi1.7. L'équipe de Shengqiang Zhou a maintenant développé une méthode qui empêche sa formation, ne laissant que de fines couches de B20-MnSi sans défaut.

L'élément central du nouveau procédé est un traitement thermique spécial. "C'est un peu comme faire une crêpe, " explique Zhou. " C'est meilleur lorsqu'il est croustillant à l'extérieur et aussi moelleux que possible à l'intérieur. " Lorsque vous versez la pâte dans une poêle chaude, il cuit si vite que l'intérieur reste agréable et doux. Lorsque vous faites cuire la pâte au four, cependant, il chauffe beaucoup plus uniformément et durcit partout - et vous obtenez une crêpe plutôt médiocre.

Chauffage avec flashs

Les experts ont donc utilisé cette stratégie de crêpes rapide, chauffage intense comme modèle. "Lorsque nous chauffons très brièvement un film mince de manganèse placé au-dessus d'une plaquette de silicium, nous introduisons très peu d'énergie dans le matériau, " Zhou explique leur raisonnement. " Cela signifie qu'il se refroidira rapidement - si vite, En réalité, que le MnSi1.7 indésirable n'aura pas le temps de se former." Le défi est de savoir comment chauffer quelque chose rapidement et vigoureusement en même temps. Le groupe de recherche a trouvé la solution intenses éclairs de lumière blanche.

De tels flashs peuvent être générés au "BlitzLab, " un Helmholtz Innovation Lab situé sur le campus de Rossendorf. Différentes séries de mesures ont confirmé l'hypothèse :" En faisant varier la puissance des flashs, nous avons pu ajuster le rapport des différentes phases cristallines avec une grande précision, " rapporte Shengqiang Zhou. " Lorsque nous avons appliqué des pouvoirs relativement forts, des films minces de B20-MnSi pur se sont formés comme nous l'avions espéré."

Par conséquent, les skyrmions qui peuvent être générés dans ces couches sont maintenant stables sur une plage de température et de champ magnétique beaucoup plus large que celle précédemment observée dans ce matériau. Il est peu probable que le siliciure de manganèse lui-même convienne à une utilisation pratique car il ne fonctionne qu'à des températures très basses. Mais cela pourrait servir de modèle important pour d'autres, matériaux plus pratiques. "De nombreux alliages posent le problème d'avoir des phases différentes, " explique Zhou. " Et notre approche pourrait aider à séparer ces phases à l'avenir. "