Pour de nombreuses applications techniques modernes, tels que les fils supraconducteurs pour l'imagerie par résonance magnétique, les ingénieurs veulent autant que possible se débarrasser de la résistance électrique et de la production de chaleur qui l'accompagne.

Il s'avère, cependant, qu'un peu de production de chaleur à partir de la résistance est une caractéristique souhaitable dans les films minces métalliques pour les applications spintroniques telles que la mémoire d'ordinateur à semi-conducteurs. De la même manière, alors que les défauts sont souvent indésirables en science des matériaux, ils peuvent être utilisés pour contrôler la création de quasi-particules magnétiques appelées skyrmions.

Dans des articles séparés publiés ce mois-ci dans les revues Nature Nanotechnologie et Matériaux avancés , chercheurs du groupe du professeur du MIT Geoffrey S.D. Beach et collègues en Californie, Allemagne, La Suisse, et la Corée, ont montré qu'ils peuvent générer des skyrmions stables et rapides dans des matériaux stratifiés spécialement formulés à température ambiante, établir des records du monde de taille et de vitesse. Chaque article figurait sur la couverture de son journal respectif.

Pour les recherches publiées dans Matériaux avancés , les chercheurs ont créé un fil qui empile 15 couches répétées d'un alliage métallique spécialement fabriqué composé de platine, qui est un métal lourd, cobalt-fer-bore, qui est un matériau magnétique, et magnésium-oxygène. Dans ces matériaux stratifiés, l'interface entre la couche métallique de platine et le cobalt-fer-bore crée un environnement dans lequel des skyrmions peuvent être formés en appliquant un champ magnétique externe perpendiculaire au film et des impulsions de courant électrique qui se déplacent le long du fil.

Notamment, sous un champ de 20 milliTesla, une mesure de l'intensité du champ magnétique, le fil forme des skyrmions à température ambiante. À des températures supérieures à 349 kelvins (168 degrés Fahrenheit), les skyrmions se forment sans champ magnétique externe, un effet provoqué par l'échauffement du matériau, et les skyrmions restent stables même après que le matériau soit revenu à température ambiante. Précédemment, des résultats comme celui-ci n'avaient été observés qu'à basse température et avec de grands champs magnétiques appliqués, dit la plage.

Structure prévisible

« Après avoir développé un certain nombre d'outils théoriques, nous pouvons maintenant non seulement prédire la structure et la taille internes du skyrmion, mais nous pouvons aussi faire un problème d'ingénierie inverse, nous pouvons dire, par exemple, nous voulons avoir un skyrmion de cette taille, et nous pourrons générer le multicouche, ou le matériel, paramètres, cela conduirait à la taille de ce skyrmion, " dit Ivan Lemesh, premier auteur de l'article Advanced Materials et étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux au MIT. Les co-auteurs incluent l'auteur principal Beach et 17 autres personnes.

Une caractéristique fondamentale des électrons est leur spin, qui pointe vers le haut ou vers le bas. Un skyrmion est un amas circulaire d'électrons dont les spins sont opposés à l'orientation des électrons environnants, et les skyrmions maintiennent un sens horaire ou antihoraire.

"Toutefois, en plus de ça, nous avons également découvert que les skyrmions dans les multicouches magnétiques développent une nature torsadée complexe dépendante de l'épaisseur, " Lemesh a déclaré lors d'une présentation sur son travail lors de la réunion d'automne de la Materials Research Society (MRS) à Boston le 30 novembre. Ces résultats ont été publiés dans une étude théorique distincte dans Examen physique B en septembre.

La recherche actuelle montre que bien que cette structure tordue de skyrmions ait un impact mineur sur la capacité de calculer la taille moyenne du skyrmion, cela affecte considérablement leur comportement induit par le courant.

Limites fondamentales

Pour l'article dans Nature Nanotechnology, les chercheurs ont étudié un matériau magnétique différent, la superposition de platine avec une couche magnétique d'un alliage de gadolinium-cobalt, et l'oxyde de tantale. Dans ce matériau, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient produire des skyrmions aussi petits que 10 nanomètres et ont établi qu'ils pouvaient se déplacer à une vitesse rapide dans le matériau.

"Ce que nous avons découvert dans cet article, c'est que les ferroaimants ont des limites fondamentales pour la taille de la quasi-particule que vous pouvez fabriquer et la vitesse à laquelle vous pouvez les conduire à l'aide de courants, " dit le premier auteur Lucas Caretta, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux.

Dans un ferromagnétique, comme le cobalt-fer-bore, les spins voisins sont alignés parallèlement les uns aux autres et développent un fort moment magnétique directionnel. Pour dépasser les limites fondamentales des ferromagnétiques, les chercheurs se sont tournés vers le gadolinium-cobalt, qui est un ferrimagnétique, dans lequel les spins voisins alternent vers le haut et vers le bas afin qu'ils puissent s'annuler et aboutir à un moment magnétique global nul.

"On peut concevoir un ferrimagnétique tel que l'aimantation nette soit nulle, permettant des textures de spin ultra petites, ou l'accorder de telle sorte que le moment angulaire net soit nul, permettant des textures de spin ultrarapides. Ces propriétés peuvent être modifiées par la composition du matériau ou la température, " explique Caretta.

En 2017, les chercheurs du groupe Beach et leurs collaborateurs ont démontré expérimentalement qu'ils pouvaient créer ces quasi-particules à volonté dans des endroits spécifiques en introduisant un type particulier de défaut dans la couche magnétique.

"Vous pouvez modifier les propriétés d'un matériau en utilisant différentes techniques locales telles que le bombardement ionique, par exemple, et en faisant cela vous changez ses propriétés magnétiques, " Lemesh dit, "et puis si vous injectez un courant dans le fil, le skyrmion naîtra à cet endroit."

Caretta ajoute :« Il a été découvert à l'origine avec des défauts naturels dans le matériau, puis ils sont devenus des défauts d'ingénierie à travers la géométrie du fil."

Ils ont utilisé cette méthode pour créer des skyrmions dans le nouveau papier Nature Nanotechnology.

Les chercheurs ont réalisé des images des skyrmions dans le mélange cobalt-gadolinium à température ambiante dans des centres synchrotrons en Allemagne, en utilisant l'holographie aux rayons X. Félix Buttner, un post-doctorat au Beach lab, a été l'un des développeurs de cette technique d'holographie aux rayons X. "C'est l'une des seules techniques qui peut permettre des images aussi hautement résolues où vous distinguez des skyrmions de cette taille, " dit Caretta.

Ces skyrmions sont aussi petits que 10 nanomètres, qui est le record du monde actuel pour les skyrmions à température ambiante. Les chercheurs ont démontré un mouvement de paroi de domaine entraîné par le courant de 1,3 kilomètre par seconde, en utilisant un mécanisme qui peut également être utilisé pour déplacer des skyrmions, qui établit également un nouveau record du monde.

Hormis les travaux du synchrotron, toutes les recherches ont été effectuées au MIT. "Nous cultivons les matériaux, faire la fabrication et caractériser les matériaux ici au MIT, " dit Caretta.

Modélisation magnétique

Ces skyrmions sont un type de configuration de spin des spins électroniques dans ces matériaux, tandis que les murs de domaine en sont un autre. Les parois de domaine sont la frontière entre les domaines d'orientation de spin opposée. Dans le domaine de la spintronique, ces configurations sont appelées solitons, ou faire tourner des textures. Puisque les skyrmions sont une propriété fondamentale des matériaux, la caractérisation mathématique de leur énergie de formation et de mouvement implique un ensemble complexe d'équations intégrant leur taille circulaire, moment cinétique de spin, moment angulaire orbital, charge électronique, force magnétique, épaisseur de couche, et plusieurs termes de physique spéciaux qui capturent l'énergie des interactions entre les spins voisins et les couches voisines, comme l'interaction d'échange.

L'une de ces interactions, qui s'appelle l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), est d'une importance particulière pour la formation de skyrmions et résulte de l'interaction entre les électrons dans la couche de platine et la couche magnétique. Dans l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya, les spins s'alignent perpendiculairement les uns aux autres, qui stabilise le skyrmion, dit Lemesh. L'interaction DMI permet à ces skyrmions d'être topologiques, donnant lieu à des phénomènes physiques fascinants, les rendre stables, et leur permettant d'être déplacés avec un courant.

"Le platine lui-même est ce qui fournit ce qu'on appelle un courant de spin, c'est-à-dire ce qui fait bouger les textures de spin, " dit Caretta. " Le courant de spin fournit un couple sur l'aimantation du ferro ou du ferrimagnétique qui lui est adjacent, et ce couple est ce qui provoque finalement le mouvement de la texture de spin. Nous utilisons essentiellement des matériaux simples pour réaliser des phénomènes complexes aux interfaces."

Dans les deux articles, les chercheurs ont effectué un mélange de calculs de spin micromagnétique et atomistique pour déterminer l'énergie requise pour former des skyrmions et les déplacer.

"Il s'avère qu'en changeant la fraction d'une couche magnétique, vous pouvez modifier les propriétés magnétiques moyennes de l'ensemble du système, donc maintenant nous n'avons pas besoin d'aller à un matériau différent pour générer d'autres propriétés, " dit Lemesh. " Vous pouvez simplement diluer la couche magnétique avec une couche d'espacement d'épaisseur différente, et vous vous retrouverez avec différentes propriétés magnétiques, et cela vous donne un nombre infini d'opportunités pour fabriquer votre système."

Contrôle précis

"Le contrôle précis de la création de skyrmions magnétiques est un sujet central du domaine, " dit Jiadong Zang, professeur adjoint de physique à l'Université du New Hampshire, qui n'a pas participé à cette recherche, en ce qui concerne la Matériaux avancés papier. "Ce travail a présenté une nouvelle façon de générer des skyrmions à champ nul via une impulsion de courant. Il s'agit certainement d'une étape solide vers les manipulations de skyrmions en régime nanoseconde."

Commentant le Nature Nanotechnologie rapport, Christophe Moelles, un professeur de physique de la matière condensée à l'Université de Leeds au Royaume-Uni a déclaré :"Le fait que les skyrmions soient si petits mais qu'ils puissent être stabilisés à température ambiante le rend très important."

Courges, qui n'a pas non plus participé à cette recherche, a noté que le groupe Beach avait prédit des skyrmions à température ambiante dans un Rapports scientifiques papier plus tôt cette année et a déclaré que les nouveaux résultats sont un travail de la plus haute qualité. "Mais ils ont fait la prédiction et la vie réelle n'est pas toujours à la hauteur des attentes théoriques, ils méritent donc tout le mérite de cette percée, ", dit Marrows.

Zang, commenter le Nature Nanotechnologie papier, ajoute :« Un goulot d'étranglement de l'étude skyrmion est d'atteindre une taille inférieure à 20 nanomètres [la taille d'une unité de mémoire de pointe], et conduire son mouvement avec une vitesse au-delà d'un kilomètre par seconde. Ces deux défis ont été relevés dans cet ouvrage fondateur.

"Une innovation clé est d'utiliser un ferri-aimant, au lieu du ferromagnétique couramment utilisé, héberger des skyrmions, " dit Zang. "Ce travail stimule grandement la conception de mémoires et de dispositifs logiques basés sur skyrmion. C'est définitivement un papier vedette dans le domaine de skyrmion."

Systèmes d'hippodrome

Les dispositifs à semi-conducteurs construits sur ces skyrmions pourraient un jour remplacer les disques durs de stockage magnétique actuels. Les flux de skyrmions magnétiques peuvent servir de bits pour les applications informatiques. « Dans ces matériaux, nous pouvons facilement modeler des pistes magnétiques, " Beach a déclaré lors d'une présentation à MRS.

Ces nouvelles découvertes pourraient être appliquées aux dispositifs de mémoire des hippodromes, qui ont été développés par Stuart Parkin chez IBM. Une clé de la conception de ces matériaux pour une utilisation dans les appareils de piste est la conception de défauts délibérés dans le matériau où les skyrmions peuvent se former, parce que les skyrmions se forment là où il y a des défauts dans le matériau.

"On peut ingénieur en mettant des encoches dans ce type de système, " dit la plage, qui est également co-directeur du Materials Research Laboratory (MRL) au MIT. Une impulsion de courant injectée dans le matériau forme les skyrmions à un cran. "La même impulsion de courant peut être utilisée pour écrire et supprimer, " dit-il. Ces skyrmions se forment extrêmement rapidement, en moins d'un milliardième de seconde, dit la plage.

Caretta déclare : « Pour pouvoir disposer d'une logique de fonctionnement pratique ou d'un dispositif de circuit de mémoire, il faut écrire le bit, c'est ce dont nous parlons dans la création de la quasi-particule magnétique, et vous devez vous assurer que le bit écrit est très petit et vous devez traduire ce bit à travers le matériel à un rythme très rapide, " dit Caretta.

Courges, le professeur de Leeds, ajoute :« Applications dans la spintronique basée sur skyrmion, vont bénéficier, même si encore une fois il est un peu tôt pour dire avec certitude quels seront les gagnants parmi les différentes propositions, qui comprennent des souvenirs, dispositifs logiques, oscillateurs et dispositifs neuromorphiques, "

Un défi restant est la meilleure façon de lire ces bits skyrmion. Les travaux du groupe Plage se poursuivent dans ce domaine, Lemesh dit, notant que le défi actuel est de découvrir un moyen de détecter ces skyrmions électriquement afin de les utiliser dans des ordinateurs ou des téléphones.

"Ouais, donc vous n'avez pas besoin d'apporter votre téléphone à un synchrotron pour lire un peu, " Caretta dit. " À la suite de certains des travaux effectués sur les ferrimagnétiques et les systèmes similaires appelés anti-ferromagnétiques, Je pense que la majorité du domaine va en fait commencer à se tourner vers ces types de matériaux en raison de l'énorme promesse qu'ils contiennent."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.