Images de mesure magnétique montrant comment le nombre de skyrmions dans un nanomatériau varie avec l'intensité du champ magnétique. Ces résultats ont été utilisés pour prouver l'influence des skyrmions sur la résistivité de Hall, un phénomène appelé effet Hall topologique. Crédit :M. Raju.
Les skyrmions magnétiques sont de minuscules entités, se manifestant dans des matériaux magnétiques constitués de torsions localisées dans la direction d'aimantation du milieu. Chaque skyrmion est très stable car l'éliminer nécessite de détordre le sens d'aimantation du matériau, tout comme un nœud sur une ficelle ne peut être dénoué qu'en tirant le reste de la ficelle hors du nœud. Les skyrmions magnétiques sont un candidat prometteur pour les dispositifs de stockage magnétique de nouvelle génération en raison de leur stabilité et de leur petite taille - avec des largeurs de 50 nanomètres ou moins, ils n'occupent qu'une fraction de la surface des bits magnétiques des disques durs actuels. Pour cette raison, les chercheurs ont intensément recherché des matériaux pouvant contenir des skyrmions magnétiques, et étudier leurs propriétés électriques et magnétiques.
Récemment, une percée importante dans la compréhension du comportement des skyrmions magnétiques a été annoncée par une équipe de scientifiques à Singapour et en Israël. Ils ont montré, pour la première fois, que la présence de skyrmions magnétiques est sans ambiguïté liée à un phénomène connu sous le nom d'effet Hall topologique, qui décrit comment les courants électriques sont détournés par un champ magnétique émergent d'un skyrmion. Les travaux ont été publiés en mars 2019 dans la revue Communication Nature .
L'équipe a étudié un nanomatériau synthétique optimisé pour héberger des skyrmions magnétiques, composé de couches consécutives d'iridium, fer à repasser, cobalt, et platine, chacun ayant une épaisseur d'un nanomètre ou moins. En 2017, le même nanomatériau avait fourni la première preuve de l'effet Hall topologique à température ambiante, observé par le groupe de recherche de Christos Panagopoulos à l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour), qui a également dirigé le présent travail. Le professeur Panagopoulos et ses collaborateurs ont montré que la résistivité Hall du nanomatériau - le rapport de la tension transversale au courant électrique en présence d'un champ magnétique - contenait des anomalies difficiles à expliquer, sauf par l'effet des skyrmions magnétiques.
"La chose intéressante à propos de la façon dont les skyrmions influencent la résistivité de Hall est que cela dépend de la façon dont la magnétisation se tord autour de chaque skyrmion, " explique Panagopoulos. " Mathématiquement, ces torsions sont appelées caractéristiques « topologiques », c'est pourquoi le phénomène physique est appelé « effet Hall topologique ».
Cependant, certains aspects des expérimentations de 2017 restaient difficiles à expliquer. Les données semblaient indiquer que les anomalies de la résistivité Hall étaient 100 fois plus importantes que les prédictions théoriques basées sur l'effet Hall topologique. Pour établir une connexion définitive, les mesures électriques devaient être soigneusement mises en correspondance avec des observations directes de skyrmions magnétiques. Pour y parvenir, le groupe Panagopoulos a collaboré avec le laboratoire d'Ophir Auslaender au Technion, l'Institut israélien de technologie. À l'aide d'un microscope à force magnétique basse température à la pointe de la technologie, le groupe Auslaender a obtenu des images très précises des skyrmions dans le nanomatériau. Notamment, ils ont découvert que certains modèles de magnétisation "en forme de ver" étaient formés par plusieurs skyrmions réunis.
En combinant mesures Hall électriques et imagerie magnétique, la collaboration a réussi à réduire considérablement l'écart entre la théorie et l'expérience. "La première chose que nous avons réalisé était que le nombre de skyrmions magnétiques avait été sous-estimé d'un facteur dix, " dit M. Raju, un chercheur à NTU qui est l'un des principaux auteurs de l'étude. "Creuser plus profond, nous avons pu montrer que le nombre de skyrmions magnétiques est directement proportionnel à la résistivité de Hall topologique. Cela fournit des preuves concluantes que les skyrmions sont responsables, pas un autre phénomène inexpliqué."
Malgré cette avancée, Le professeur Panagopoulos note que la résistivité de Hall topologique reste supérieure à ce que la théorie prédit, et suggère que l'écart restant peut être une question de limitations théoriques. "Le concept d'effet Hall topologique est basé sur des hypothèses, comme l'adiabaticité, qui sont théoriquement pratiques mais peuvent ne pas être précis pour des matériaux réels, " note-t-il. "Avec l'aide de ces méthodes expérimentales améliorées, nous construisons une compréhension plus sophistiquée de la façon dont les charges électriques interagissent avec le spin magnétique dans ces matériaux importants et technologiquement prometteurs. »
