Dans un effort pionnier de contrôle, mesurer et comprendre le magnétisme au niveau atomique, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert une nouvelle méthode pour manipuler les propriétés nanométriques des matériaux magnétiques.

La capacité de contrôler ces propriétés a des applications potentielles dans la création et l'amélioration de la mémoire magnétique dans les appareils électroniques grand public, et développer un détecteur sensible pour les nanoparticules magnétiques.

La découverte se concentre sur une propriété de mécanique quantique connue sous le nom de spin, qui dote les électrons d'un petit champ magnétique. Le spin électronique peut pointer dans l'une ou l'autre des deux directions, "haut ou bas, " tout comme le champ magnétique qui l'accompagne. Au fil des ans, les scientifiques sont devenus habiles à inverser la direction de la rotation, et donc, la direction du champ magnétique. Mais la nouvelle découverte a une nouvelle tournure.

Dans certains matériaux, comme le cobalt, les spins des électrons voisins interagissent, les faisant pointer tous dans la même direction. Si certains des spins sont forcés de s'éloigner de cette direction, ils tirent avec eux certains des tours à proximité. Cela provoque une torsion progressive des rotations dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Dans certains matériaux, les spins préfèrent tourner dans un seul sens.

Une équipe dirigée par le chercheur du NIST Samuel Stavis et Andrew Balk, maintenant au Laboratoire national de Los Alamos, ont trouvé un moyen de contrôler la direction de cette torsion dans un film de cobalt de seulement trois couches atomiques d'épaisseur. De plus, ils pourraient définir cette direction pour être différente à différents endroits sur le même film de cobalt, et le faire indépendamment des autres propriétés magnétiques du métal.

L'équipe a atteint cette nouvelle capacité en contrôlant un effet connu sous le nom d'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), qui impose une direction de torsion préférée sur les vrilles. Le DMI se produit généralement à la frontière entre un film mince d'un métal magnétique et une couche de métal non magnétique. Les spins des électrons dans le film magnétique interagissent avec les atomes du film non magnétique, créant une torsion préférentielle.

Le contrôle du DMI peut augmenter la mémoire magnétique, qui utilise l'orientation du spin pour stocker des informations. Un périphérique de mémoire a besoin de deux états distincts, représentant soit un un, soit un zéro - dans le cas d'un disque dur magnétique, électrons dont le spin pointe vers le haut ou vers le bas. Pour écrire des données, les concepteurs ont besoin d'un moyen prévisible pour passer d'une orientation de rotation à l'autre. Le contrôle de la direction et de la quantité de torsion pourrait permettre au spin flip de se produire plus efficacement et de manière plus fiable que si la torsion était aléatoire, Balk notes.

Le contrôle du DMI joue également un rôle clé dans un autre type de mémoire magnétique. Si le DMI est suffisamment puissant, il va tordre les spins voisins dans un motif de vortex circulaire, et pourraient potentiellement créer des nœuds magnétiques exotiques appelés skyrmions. Ces nœuds semblables à des particules peuvent stocker des informations, et leur existence ou leur absence dans un film mince magnétique pourrait agir un peu comme les uns et les zéros des circuits logiques électroniques. En régulant le DMI, les chercheurs peuvent créer des skyrmions, qui nécessiterait moins de puissance pour fonctionner que d'autres types de mémoire magnétique, et devrait être capable de guider leur mouvement à travers un matériau magnétique.

Les chercheurs décrivent leur travail dans Physical Review Letters.

Dans leur expérience, les chercheurs ont pris en sandwich un mince film de cobalt entre deux couches de platine, un métal non magnétique. Ils ont ensuite bombardé la tricouche avec des ions argon, qui a fait sauter le film de platine supérieur et a rugueux la limite supérieure entre le platine et le cobalt, en fonction de l'énergie des ions. Les scientifiques ont découvert que lorsqu'ils utilisaient des ions d'argon avec une énergie plus élevée, le DMI était négatif, tordant les spins du cobalt dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et quand ils ont utilisé des ions argon avec une énergie plus faible, le DMI était positif, et tournerait les tours dans le sens des aiguilles d'une montre. Lorsqu'il est exposé à des ions argon d'énergie intermédiaire, le DMI était nul, ce qui rend tout aussi probable que les tours tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.

Les chercheurs ont fait leur découverte en ajustant les propriétés magnétiques d'un film de cobalt pour développer un capteur pour les nanoparticules magnétiques. Ce faisant, l'équipe s'est rendu compte qu'elle avait trouvé une nouvelle façon de manipuler le DMI.

Parce que les ions argon avec des énergies différentes pourraient viser des régions spécifiques du cobalt, les chercheurs ont pu fabriquer des films de cobalt dont le DMI variait sur toute la surface du matériau.

"Six décennies après que Dzyaloshinskii et Moriya ont découvert cette interaction, notre nouveau procédé pour le contrôler spatialement, indépendamment des autres propriétés magnétiques, permettra de nouvelles études scientifiques du DMI et permettra la fabrication de nouveaux dispositifs nanomagnétiques, " a déclaré Balk.

Finalement, les scientifiques ont découvert que le contrôle du DMI rendait en effet le film plus sensible aux champs magnétiques des nanoparticules. À une date ultérieure, l'équipe prévoit de publier des travaux sur l'application du film en tant que capteur de nanoparticules pour les utilisateurs du NIST Center for Nanoscale Science and Technology, où le travail a été effectué.