Des scientifiques de l'EPFL ont produit des skyrmions stables contrôlables à l'aide d'impulsions laser, faire un pas vers des dispositifs de mémoire nettement plus économes en énergie. L'ouvrage est publié dans Lettres d'examen physique .

Un skyrmion est une collection de spins électroniques qui ressemblent à un vortex dans certains matériaux magnétiques. Les skyrmions peuvent exister individuellement ou en motifs appelés réseaux. Nommé d'après le physicien britannique Tony Skyrme qui a théorisé pour la première fois l'existence de leurs homologues à particules élémentaires en 1962, skyrmions ont attiré l'attention pour leur potentiel d'utilisation dans des dispositifs dits « spintroniques », qui utiliserait le spin plutôt que la charge des électrons, devenant ainsi nettement plus miniaturisé et économe en énergie.

L'intérêt s'est surtout porté sur les technologies de stockage en mémoire. Les skyrmions peuvent être assez stables et nécessitent très peu d'énergie pour les écrire ou les effacer :certaines études ont montré que créer et annihiler des skyrmions pourrait être près de 10, 000 fois plus économes en énergie que les dispositifs de stockage de données conventionnels. Cependant, cela nécessiterait un moyen rapide et fiable de contrôler et de manipuler des skyrmions individuels.

Maintenant, les laboratoires de Fabrizio Carbone et Henrik M. Rønnow à l'EPFL ont pu écrire et effacer des skyrmions stables à l'aide d'impulsions laser. Les scientifiques ont utilisé un alliage fer-germanium, qui peut héberger des skyrmions à environ 0oC, pas trop loin de la température ambiante. C'est important en soi, car bon nombre de ces expériences fondamentales se déroulent généralement à des températures trop basses pour être commercialement significatives.

Les chercheurs ont profité de l'effet de super refroidissement qui suit un saut de température ultrarapide, qui est elle-même induite dans l'alliage par une impulsion laser ultracourte. Pendant la surfusion, Les skyrmions peuvent être gelés dans des endroits où ils ne se produiraient pas dans des conditions d'équilibre conventionnelles.

Les skyrmions en formation ont été imagés en utilisant la microscopie électronique cryogénique de Lorentz à résolution temporelle, qui peut "voir" les structures du domaine magnétique et les mécanismes d'inversion de l'aimantation dans l'espace réel et en temps réel. Cette technique est une évolution de la cryo-microscopie électronique statique, pour lequel Jacques Dubochet a remporté le prix Nobel de chimie en 2017.

"Ce que nous avons fait, c'est appliquer une impulsion laser à l'alliage alors qu'il était maintenu à une température et à un champ magnétique externe qui interdisent normalement l'apparition de skyrmions, " dit Fabrizio Carbone. " Des skyrmions individuels apparaissaient près des bords de l'échantillon à chaque flash lumineux. Par ailleurs, une fois les skyrmions établis, en ajustant les paramètres à proximité de la transition entre avoir les skyrmions et ne plus les avoir, les impulsions laser peuvent être utilisées pour les effacer via une démagnétisation locale induite par le chauffage."

Les chercheurs ont pu écrire et effacer des skyrmions sur l'alliage en quelques centaines de nanosecondes à quelques microsecondes. Cependant, les résultats suggèrent également des voies pour concevoir les taux de surfusion pour un contrôle plus rapide des skyrmions, jusqu'à la picoseconde.

"Les barrières énergétiques pour manipuler les skyrmions peuvent être très petites, " dit Carbone. " Cela veut dire que, s'il s'agissait d'un périphérique de stockage en mémoire, la consommation énergétique estimée par nos expérimentations, dont les propriétés lumineuses n'étaient pas encore adaptées pour optimiser ce paramètre, est de l'ordre des femto-joules (quadrillionièmes de joule) par bit, déjà comparable aux prototypes les plus économes en énergie disponibles."

Bien qu'il s'agisse d'une étude de preuve de principe, les chercheurs n'ont pu s'empêcher de penser en termes d'applications. "Nous avons en fait calculé l'énergie qu'il faut, sans aucune optimisation dans notre expérience, " dit Carbone. " Et nous avons constaté qu'il était déjà au niveau du dispositif de stockage de données le moins énergivore à ce jour. S'il est implémenté dans les appareils, cela signifierait que la batterie de votre ordinateur portable durerait environ un mois avant de devoir être rechargée."