Fig. 1 :Stabilisation des skyrmions par des interactions d'échange d'ordre supérieur. La courbe rouge montre la barrière énergétique pour l'effondrement d'un skyrmion magnétique (en haut à gauche) dans le fond ferromagnétique (en bas à droite). Au point le plus haut de la courbe définissant la hauteur de la barrière, on trouve l'état de transition (en haut à droite). Les cônes montrent les "barres magnétiques atomiques" d'atomes individuels sur un réseau hexagonal. Les flèches argentées indiquent les cônes pointant vers le haut tandis que la couleur rouge spécifie les cônes pointant vers le bas. En bas à gauche :Structure schématique d'une couche atomique de palladium (Pd) sur une couche atomique de fer (Fe) déposée sur une surface de rhodium (Rh) avec une orientation cristallographique (111). Crédit :Université de Kiel
Les minuscules tourbillons magnétiques qui peuvent se produire dans les matériaux, appelés skyrmions, sont très prometteurs pour les nouveaux appareils électroniques ou la mémoire magnétique dans lesquels ils sont utilisés comme bits pour stocker des informations. Une condition préalable fondamentale pour toute application est la stabilité de ces tourbillons magnétiques. Une équipe de recherche de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique de l'Université de Kiel a maintenant démontré que les interactions magnétiques négligées jusqu'à présent peuvent jouer un rôle clé pour la stabilité du skyrmion et peuvent considérablement améliorer la durée de vie du skyrmion. Leur travail, qui a été publié aujourd'hui dans Communication Nature , ouvre également la perspective de stabiliser les skyrmions dans de nouveaux systèmes matériels dans lesquels les mécanismes précédemment envisagés ne sont pas suffisants.
Recherche intensive sur la stabilité à température ambiante
Leur structure magnétique unique, plus précisément leur topologie, confère de la stabilité aux skyrmions et les protège de l'effondrement. Par conséquent, les skyrmions sont désignés par des nœuds dans l'aimantation. Cependant, sur le réseau atomique d'un solide cette protection est imparfaite et il n'y a qu'une barrière d'énergie finie (figure 1). « La situation est comparable à une bille couchée dans une auge qui a donc besoin d'une certaine impulsion, énergie, pour y échapper. Plus la barrière énergétique est grande, plus la température à laquelle le skyrmion est stable est élevée, " explique le professeur Stefan Heinze de l'Université de Kiel. Surtout les skyrmions avec des diamètres inférieurs à 10 nanomètres, qui sont nécessaires pour les futurs dispositifs électroniques de spin, n'ont jusqu'à présent été détectés qu'à des températures très basses. Étant donné que les applications sont généralement à température ambiante, l'amélioration de la barrière énergétique est un objectif clé de la recherche actuelle sur les skyrmions.
Précédemment, un modèle standard des interactions magnétiques pertinentes contribuant à la barrière a été établi. Une équipe de physiciens théoriciens du groupe de recherche du professeur Stefan Heinze a maintenant démontré qu'un type d'interactions magnétiques a jusqu'à présent été négligé. Dans les années 1920, Werner Heisenberg pouvait expliquer l'apparition du ferromagnétisme par l'interaction d'échange mécanique quantique qui résulte du "saut" dépendant du spin des électrons entre deux atomes. "Si l'on considère le saut d'électrons entre plusieurs atomes, des interactions d'échange d'ordre supérieur se produisent, " dit le Dr Souvik Paul, premier auteur de l'étude (Figure 2). Cependant, ces interactions sont beaucoup plus faibles que l'échange par paires proposé par Heisenberg et ont donc été négligées dans les recherches sur les skyrmions.
Fig. 2 :Illustration des interactions d'échange d'ordre supérieur sur un réseau atomique hexagonal. Les flèches colorées montrent le saut d'électrons entre deux sites (vert), trois sites (bleu) et quatre sites (rouge). Les sphères indiquent les sites atomiques et les flèches l'orientation des "barres d'aimants atomiques". Crédit :Université de Kiel
De faibles interactions d'échange d'ordre supérieur stabilisent les skyrmions
Sur la base de simulations atomistiques et de calculs de mécanique quantique effectués sur les superordinateurs de la North-German Supercomputing Alliance (HLRN), les scientifiques de Kiel ont maintenant expliqué que ces interactions faibles peuvent encore apporter une contribution étonnamment importante à la stabilité du skyrmion. En particulier, le saut cyclique sur quatre sites atomiques (voir les flèches rouges sur la Fig. 2) influence extrêmement fortement l'énergie de l'état de transition (voir Fig. 1 point le plus haut en haut à droite), où seuls quelques barreaux magnétiques atomiques sont inclinés les uns contre les autres. Même des antiskyrmions stables ont été trouvés dans les simulations, ce qui est avantageux pour certains futurs concepts de stockage de données, mais se dégrade généralement trop rapidement.
Des interactions d'échange d'ordre supérieur apparaissent dans de nombreux matériaux magnétiques utilisés pour des applications potentielles de skyrmions tels que le cobalt ou le fer. Ils peuvent également stabiliser les skyrmions dans des structures magnétiques dans lesquelles les interactions magnétiques précédemment considérées ne peuvent pas se produire ou sont trop petites. Par conséquent, la présente étude ouvre de nouvelles voies prometteuses pour la recherche sur ces nœuds magnétiques fascinants.
