Comme des baristas créant de belles spirales de mousse crémeuse sur les surfaces chaudes des lattes, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont trouvé un moyen de contrôler la création de surfaces texturées spéciales dans des matériaux commandés magnétiquement.

Alors qu'un barista fait tourner physiquement du lait pour produire de la mousse pour un café au lait, Les chercheurs d'Argonne ont étudié de nouvelles régions impliquant des spins magnétiques. Ces régions, appelés skyrmions ou antiskyrmions, n'ont pas de charge électrique nette mais ont ce que les scientifiques appellent une "charge topologique, " ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés pour stocker des informations.

"Les gens ont déjà créé des skyrmions, " a déclaré Amanda Petford-Long, membre distinguée d'Argonne, un auteur de l'étude. "Mais toutes les recherches qui ont été faites à ce jour impliquaient leur formation spontanée. Ce qui est nouveau, c'est que nous pouvons maintenant contrôler où ils se produisent dans un matériau."

Pour créer leurs skyrmions et antiskyrmions, les chercheurs ont utilisé un faisceau d'ions focalisé, qui a essentiellement bombardé la surface de couches de platine et de cobalt avec des ions gallium. "Vous pouvez presque y penser comme un chef utilisant une torche brûlée, mais au lieu d'utiliser de la chaleur, nous utilisons un autre matériau, " a déclaré Charudatta Phatak, scientifique en matériaux d'Argonne, un auteur principal de l'étude.

La façon dont les chercheurs ont décidé de déplacer le faisceau d'ions sur la surface a considérablement influencé les types de structures qui en ont résulté. D'abord, ils ont essayé une méthode connue sous le nom de "balayage raster, " qui impliquait de déplacer le faisceau d'avant en arrière verticalement ou horizontalement. Cela n'a pas permis de produire les skyrmions ou antiskyrmions souhaités.

Finalement, l'équipe a eu l'idée de déplacer le faisceau en spirale, soit en partant du centre et en allant vers l'extérieur, soit en partant des bords et en se déplaçant vers le centre. Dans le premier cas, cela a produit un skyrmion très bien défini; dans le second cas, les chercheurs ont découvert que la spirale intérieure produisait un antiskyrmion. "Au meilleur de nos connaissances, c'est la première fois qu'un antiskyrmion artificiel est réalisé expérimentalement, " dit Phatak.

Parce que cette méthode crée des skyrmions et des antiskyrmions qui sont fixes en position, les recherches futures pourraient utiliser cette avancée pour créer une sorte de « flipper » pour les électrons qui utiliserait les spins magnétiques imprimés dans les régions du skyrmion pour diriger le mouvement des électrons.

"Ce qui est vraiment passionnant, c'est la capacité d'étudier les interactions de ces structures, " Petford-Long a déclaré. "Notre recherche ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour explorer de nouvelles physiques fondamentales, parce que l'utilisation du faisceau d'ions nous permet de créer des skyrmions et des structures semblables à des skyrmions avec différentes tailles allant du nanomètre au micron."

Un article basé sur l'étude, "Création de skyrmions et antiskyrmions artificiels par ingénierie d'anisotropie, " apparaît dans Rapports scientifiques le 10 août, 2016.