Le modèle de domaine simulé de la phase « cristal de spin incommensurable ». Crédit :Université de Warwick
Des physiciens à la recherche d'une texture de spin magnétique rarement vue ont découvert un autre objet qui porte ses caractéristiques, caché dans la structure de films magnétiques ultra-minces, qu'ils ont appelé un cristal de spin incommensurable.
Une équipe de l'Université de Warwick rapporte les résultats dans le journal Communication Nature , qui pourraient offrir de nouvelles possibilités pour des technologies telles que la mémoire informatique et le stockage.
Les chercheurs ont d'abord cherché à trouver un skyrmion, une texture de spin magnétique tourbillonnant supposée exister dans des matériaux magnétiques particuliers et qui présente un grand intérêt pour les physiciens en raison de leurs propriétés uniques et de leur potentiel pour une nouvelle génération de stockage de données écoénergétique. Pour les trouver, les scientifiques recherchent un comportement anormal de l'effet Hall; cela fait que les électrons se déplaçant à travers un matériau conducteur se comportent différemment, mesurée en résistivité.
Pour induire cet effet, l'équipe a créé des échantillons en combinant un film extrêmement mince d'un matériau ferroélectrique, titanate de plomb, avec un autre film mince d'un ferromagnétique, ruthanate de strontium. Ces couches sont atomiquement plates, à peine cinq à six cellules unitaires (3 nanomètres) d'épaisseur.
La couche ferroélectrique induit un champ électrique qui déforme la structure atomique du ferromagnétique, rompre sa symétrie. En utilisant la microscopie électronique de précision atomique, ils ont mesuré cette brisure de symétrie, et ont également pu mesurer séparément la résistivité électrique du matériau et ont confirmé la présence de caractéristiques proches de l'effet Hall topologique, comme on pouvait s'y attendre pour un skyrmion.
Ensuite, les chercheurs ont utilisé la microscopie à force magnétique pour examiner la topologie de la structure atomique du matériau, qui formait un réseau basé sur des rectangles et non des hexagones, comme ils s'y attendaient. Au sein de ce réseau se trouvent des domaines magnétiques où les skyrmions seraient trouvés en tant qu'individus, particules isolées. Au lieu, ces domaines formaient plutôt des perles sur une ficelle ou un collier, avec des perles qui ne forment jamais tout à fait un cercle parfait.
Le modèle de domaine mesuré de la phase « cristal de spin incommensurable ». Crédit :Université de Warwick
Auteur principal Sam Seddon, un doctorat étudiant au département de physique de l'Université de Warwick, a déclaré : « Une fois que vous aurez examiné attentivement les images, tu réalises, réellement, cela ne se présente pas du tout comme un skyrmion.
"Un skyrmion provoque son propre effet Hall compliqué et lorsque des effets similaires sont observés, il est souvent traité comme une signature du skyrmion. Nous avons trouvé une structure de domaine très ordonnée, tout comme un réseau skyrmion se formerait, cependant, ils sont simplement chiraux et ne sont pas protégés topologiquement. Ce que cela montre avec des preuves d'imagerie dans l'espace réel, c'est que vous n'avez pas besoin d'un domaine topologique pour provoquer un effet Hall de ce type. »
Les matériaux ferroélectriques et ferromagnétiques sont importants pour des technologies telles que la mémoire informatique et le stockage. Par exemple, des matériaux très similaires au titanate de plomb sont souvent utilisés pour la mémoire informatique des systèmes électroniques des voitures, en raison de leur robustesse et de leur capacité à fonctionner à des températures extrêmes.
Professeur Marin Alexe du Département de physique de l'Université de Warwick. Crédit :Université de Warwick
Le co-auteur, le professeur Marin Alexe de l'Université de Warwick, a déclaré :« Il y a un intérêt pour ces types d'interfaces entre les matériaux ferroélectriques et ferromagnétiques, comme pour les nouveaux types de mémoire d'ordinateur. Parce que la polarisation ferroélectrique peut être commutée en permanence, cela modifie un effet quantique dans un ferromagnétique et cela pourrait nous donner une orientation pour les matériaux des prochains ordinateurs quantiques. Ceux-ci auront besoin de matériaux stables qui fonctionnent à des températures extrêmes, sont à faible consommation d'énergie, et peut stocker des informations pendant une longue période, donc tous les ingrédients sont là.
"La topologie est la traduction de certains concepts mathématiques dans la vie réelle et est désormais au cœur des nouvelles découvertes en physique. A l'Université de Warwick, nous disposons d'une infrastructure extraordinaire et avancée qui nous permet d'aborder un problème d'un point de vue théorique, à regarder la structure atomique, jusqu'à l'étude des propriétés fonctionnelles à des températures et champs extrêmes, en particulier les champs magnétiques. Nous sommes en mesure d'offrir aux ingénieurs des bases à partir desquelles développer de nouvelles technologies."
