Les interactions magnétiques entre les atomes à des échelles infimes peuvent créer des états uniques tels que les skyrmions. Les skyrmions ont des propriétés spéciales et peuvent exister dans certains systèmes matériels, comme une « pile » de différentes couches métalliques d'une épaisseur inférieure au nanomètre. La technologie informatique moderne basée sur les skyrmions, qui ne mesurent que quelques nanomètres, promet de permettre un moyen extrêmement compact et ultrarapide de stocker et de traiter les données.

Par exemple, un concept pour le stockage de données avec skyrmions pourrait être que les bits 1 et 0 sont représentés par la présence et l'absence d'un skyrmion donné. Ce concept pourrait ainsi être utilisé dans des mémoires « hippodromes ». Cependant, c'est une condition préalable que la distance entre le skyrmion pour la valeur 1 et le skyrmion gap pour la valeur 0 reste constante lors du déplacement pendant le transport des données, sinon, des erreurs importantes pourraient se produire.

Comme meilleure alternative, Des skyrmions de tailles différentes peuvent être utilisés pour la représentation de 0 et 1. Ceux-ci pourraient alors être transportés comme des perles sur un fil sans que les distances entre les perles jouent un grand rôle. L'existence de deux types différents de skyrmions (skyrmion et skyrmion bobber) n'a jusqu'à présent été prédite que théoriquement et n'a été démontrée expérimentalement que dans un matériau monocristallin spécialement développé. Dans ces expériences, cependant, les skyrmions n'existent qu'à des températures extrêmement basses. Ces limitations rendent ce matériau impropre à des applications pratiques.

Le groupe de recherche dirigé par Hans Josef Hug à l'Empa a maintenant réussi à résoudre ce problème :« Nous avons produit un système multicouche composé de divers ferromagnétiques d'une épaisseur inférieure au nanomètre, couches de métaux nobles et de terres rares, dans lequel deux états différents de skyrmion peuvent coexister à température ambiante, " dit Hug. Son équipe avait étudié les propriétés du skyrmion dans des systèmes multicouches ferromagnétiques ultra-minces à l'aide du microscope à force magnétique qu'ils ont développé à l'Empa. Pour leurs dernières expériences, ils ont fabriqué des couches de matériaux à base des métaux suivants :iridium (Ir), fer (Fe), cobalt (Co), platine (Pt) et les terres rares terbium (Tb) et gadolinium (Gd).

Entre les deux multicouches ferromagnétiques qui génèrent des skyrmions, dans lesquelles la combinaison de couches Ir/Fe/Co/Pt est superposée cinq fois, les chercheurs ont inséré une multicouche ferrimagnétique constituée d'une couche d'alliage TbGd et d'une couche de Co. La particularité de cette couche est qu'elle ne peut pas générer des skyrmions à elle seule. Les deux couches extérieures, d'autre part, générer des skyrmions en grand nombre.

Les chercheurs ont ajusté le rapport de mélange des deux métaux Tb et Gd et les épaisseurs des couches de TbGd et de Co dans la couche centrale de telle sorte que ses propriétés magnétiques puissent être influencées par les couches externes :les couches ferromagnétiques « forcent » des skyrmions dans la couche ferrimagnétique centrale. Il en résulte un système multicouche où existent deux types différents de skyrmions.

Preuve expérimentale et théorique

Les deux types de skyrmions peuvent facilement être distingués l'un de l'autre avec le microscope à force magnétique en raison de leurs différentes tailles et intensités. Le plus grand skyrmion, qui crée également un champ magnétique plus fort, pénètre dans tout le système multicouche, c'est-à-dire aussi la multicouche ferrimagnétique moyenne. Le plus petit, skyrmion plus faible, en revanche n'existe que dans les deux multicouches externes. C'est la grande importance des derniers résultats en ce qui concerne une éventuelle utilisation des skyrmions dans le traitement des données :si des données binaires - 0 et 1 - doivent être stockées et lues, ils doivent être clairement distinguables, ce qui serait possible ici au moyen des deux types différents de skyrmions.

A l'aide du microscope à force magnétique, des parties individuelles de ces multicouches ont été comparées entre elles. Cela a permis à l'équipe de Hug de déterminer dans quelles couches se trouvent les différents skyrmions. Par ailleurs, des simulations informatiques micromagnétiques ont confirmé les résultats expérimentaux. Ces simulations ont été réalisées en collaboration avec des théoriciens des universités de Vienne et de Messine.

Andrada-Oana Mandru, chercheuse Empa, le premier auteur de l'étude, espère qu'un défi majeur vers des applications pratiques a été surmonté :« Les multicouches que nous avons développées à l'aide de la technologie de pulvérisation cathodique peuvent en principe également être produites à l'échelle industrielle, " dit-elle. En plus, des systèmes similaires pourraient éventuellement être utilisés à l'avenir pour construire des dispositifs de stockage de données en trois dimensions avec une densité de stockage encore plus grande. L'équipe a récemment publié ses travaux dans la célèbre revue Communication Nature .

Mémoire d'hippodrome

Le concept d'une telle mémoire a été conçu en 2004 chez IBM. Il consiste à écrire des informations en un seul endroit au moyen de domaines magnétiques, c'est-à-dire zones alignées magnétiquement, puis les déplacer rapidement dans l'appareil au moyen de courants. Un bit correspond à un tel domaine magnétique. Cette tâche pourrait être effectuée par un skyrmion, par exemple. Le matériau porteur de ces unités d'information magnétiques sont des nanofils, qui sont plus de mille fois plus fins qu'un cheveu humain et promettent ainsi une forme extrêmement compacte de stockage de données. Le transport des données le long des fils est également extrêmement rapide, environ 100, 000 fois plus rapide que dans une mémoire flash conventionnelle et avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible.