Dans les années récentes, l'excitation a tourbillonné autour d'un type de quasi-particule appelé skyrmion qui apparaît comme un comportement collectif d'un groupe d'électrons. Parce qu'ils sont stables, seulement quelques nanomètres, et n'ont besoin que de petits courants électriques pour les transporter, skyrmions a le potentiel de servir de base à des dispositifs de stockage et de traitement d'informations ultra-compacts et économes en énergie à l'avenir.

Maintenant, un groupe de recherche à Singapour a utilisé des simulations informatiques pour sonder davantage les comportements des skyrmions, obtenir des informations qui peuvent aider les scientifiques et les ingénieurs à mieux étudier les quasi-particules dans les expériences. Les nouveaux résultats, publié cette semaine dans Avances AIP , pourrait également conduire à des dispositifs à base de skyrmions tels que des nano-oscillateurs à micro-ondes, utilisé dans une gamme d'applications, y compris la communication sans fil, systèmes d'imagerie, radar et GPS.

"Ses attributs uniques, par exemple, pourrait théoriquement permettre des ordinateurs portables avec des disques durs de la taille de cacahuètes, et pourtant consomment peu d'énergie, " a déclaré Meng Hau Kuok de l'Université nationale de Singapour et l'un des auteurs de l'ouvrage.

Observé en 2009, Les skyrmions résultent du comportement collectif des électrons dans les matériaux magnétiques dans certaines conditions. En raison de leurs tours, les électrons agissent comme de minuscules aimants où leurs pôles magnétiques s'alignent avec leurs spins. Un phénomène appelé interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) - qui se produit à l'interface entre une couche magnétique et un métal non magnétique - fait basculer les spins et les arrange en motifs circulaires. Ces arrangements circulaires de spins, qui se comportent collectivement comme des particules, sont des skyrmions.

Bien que les chercheurs aient étudié le comportement des groupes de skyrmions, on sait peu de choses sur leurs comportements internes, dit Kuok. En particulier, les physiciens ne comprennent pas complètement les trois modes fondamentaux des particules, qui sont analogues aux modes vibratoires fondamentaux d'une corde de guitare correspondant à différentes notes musicales. Comme ces notes, chaque mode skyrmion est associé à une certaine fréquence.

"Les modes peuvent être considérés comme des motifs circulaires de rotations dansant en synchronisation, " a déclaré Kuok. Comprendre les modes est essentiel pour savoir comment les particules se comporteraient.

Dans l'un des modes, appelé le mode de respiration, le modèle de spins s'étend et se contracte alternativement. Dans les deux autres modes, la disposition circulaire des spins tourne dans le sens horaire et antihoraire, respectivement.

Les chercheurs se sont concentrés sur un type de skyrmion appelé le skyrmion de Néel, qui existe dans les films ultrafins déposés sur des métaux à fort DMI. Utilisant un ordinateur, ils ont simulé comment le DMI et les champs magnétiques externes d'intensité variable affectaient les modes et les propriétés des particules. Ils ont constaté qu'étant donné la même force DMI, et si en phase cristalline, les fréquences correspondant à chaque mode dépendent différemment de l'intensité du champ magnétique.

L'augmentation du champ magnétique induit également les skyrmions à changer de phase les uns par rapport aux autres, d'être arrangé dans des tableaux ordonnés comme un cristal à distribué et isolé de manière aléatoire. Les chercheurs ont découvert que les trois modes réagissent différemment à cette transition de phase.

Étonnamment, Kuok a dit, les trois modes peuvent exister dans la phase cristalline, tandis que le mode de rotation horaire n'existe pas dans la phase isolée. Une raison, les simulations révélées, peut-être que les skyrmions sont plus éloignés les uns des autres dans la phase isolée que dans la phase cristalline. Si les skyrmions sont trop éloignés, alors ils ne peuvent pas interagir. Cette interaction peut être nécessaire pour le mode de rotation horaire, dit Kuok.

Parce que les fréquences de mode des skyrmions sont dans la gamme des micro-ondes, les quasi-particules pourraient être utilisées pour de nouveaux nano-oscillateurs micro-ondes, qui sont des blocs de construction importants pour les circuits intégrés hyperfréquences.

Un nano-oscillateur micro-ondes basé sur des skyrmions pourrait fonctionner à trois fréquences de résonance, correspondant aux trois modes. Un champ magnétique croissant abaisserait les fréquences de résonance des modes de respiration et de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre à des vitesses différentes, mais augmentez la fréquence de résonance du mode de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un tel appareil basé sur skyrmion serait plus compact, stable, et nécessitent moins d'énergie que le conventionnel, nano-oscillateurs à base d'électrons.

Mais avant que les skyrmions ne trouvent leur chemin dans les appareils, les chercheurs doivent encore concevoir leurs propriétés spécifiques souhaitées, comme la taille, et régler avec précision leurs propriétés dynamiques. « Nos résultats pourraient fournir des informations théoriques sur la manière de relever ces défis, " dit Kuok.