Il y a une décennie, la découverte de quasiparticules appelées skyrmions magnétiques a fourni de nouveaux indices importants sur la façon dont les textures de spin microscopiques permettront la spintronique, une nouvelle classe d'électronique qui utilise l'orientation du spin d'un électron plutôt que sa charge pour coder les données.

Mais bien que les scientifiques aient fait de grands progrès dans ce domaine très jeune, ils ne comprennent toujours pas complètement comment concevoir des matériaux de spintronique qui permettraient des ultrapetits, ultrarapide, appareils de faible puissance. Skyrmions peut sembler prometteur, mais les scientifiques ont longtemps traité les skyrmions comme de simples objets 2D. Des études récentes, cependant, ont suggéré que les skyrmions 2D pourraient en fait être la genèse d'un modèle de spin 3D appelé hopfions. Mais personne n'avait pu prouver expérimentalement l'existence de hopfions magnétiques à l'échelle nanométrique.

Maintenant, une équipe de chercheurs co-dirigée par Berkeley Lab a rapporté dans Communication Nature la première démonstration et observation de hopfions 3D émergeant de skyrmions à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) dans un système magnétique. Les chercheurs disent que leur découverte annonce un grand pas en avant dans la réalisation de haute densité, grande vitesse, batterie faible, dispositifs de mémoire magnétique encore ultrastables qui exploitent la puissance intrinsèque du spin des électrons.

"Nous avons non seulement prouvé que des textures de spin complexes comme les hopfions 3D existent, nous avons également démontré comment les étudier et donc les exploiter, " a déclaré le co-auteur principal Peter Fischer, un scientifique principal de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui est également professeur adjoint de physique à l'UC Santa Cruz. "Pour comprendre comment fonctionnent réellement les hopfions, il faut savoir les fabriquer et les étudier. Ce travail n'a été possible que parce que nous avons ces outils incroyables au Berkeley Lab et nos partenariats de collaboration avec des scientifiques du monde entier, " il a dit.

Selon des études antérieures, hopfions, contrairement aux skyrmions, ne dérivent pas lorsqu'ils se déplacent le long d'un appareil et sont donc d'excellents candidats pour les technologies de données. Par ailleurs, des collaborateurs théoriques au Royaume-Uni avaient prédit que des hopfions pourraient émerger d'un système magnétique 2D multicouche.

La présente étude est la première à mettre ces théories à l'épreuve, dit Fischer.

À l'aide d'outils de nanofabrication à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, Noé Kent, un doctorat étudiant en physique à l'UC Santa Cruz et dans le groupe de Fischer au Berkeley Lab, travaillé avec le personnel de Molecular Foundry pour tailler des nanopiliers magnétiques à partir de couches d'iridium, cobalt, et platine.

Les matériaux multicouches ont été préparés par Neal Reynolds, chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley, sous la supervision de la co-auteure Frances Hellman, qui détient les titres de chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et professeur de physique et de science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. Elle dirige également le programme des matériaux magnétiques hors d'équilibre (NEMM) du ministère de l'Énergie, qui a soutenu cette étude.

Hopfions et skyrmions sont connus pour coexister dans des matériaux magnétiques, mais ils ont un motif de spin caractéristique en trois dimensions. Donc, pour les distinguer, les chercheurs ont utilisé une combinaison de deux techniques avancées de microscopie magnétique à rayons X - X-PEEM (microscopie électronique à photoémission à rayons X) dans l'installation utilisateur du synchrotron de Berkeley Lab, la source lumineuse avancée ; et la microscopie magnétique à transmission de rayons X doux (MTXM) à l'ALBA, une installation de lumière synchrotron à Barcelone, Espagne—pour imaginer les motifs de rotation distincts des hopfions et des skyrmions.

Pour confirmer leurs observations, les chercheurs ont ensuite effectué des simulations détaillées pour imiter comment les skyrmions 2D à l'intérieur d'un dispositif magnétique évoluent en hopfions 3D dans des structures multicouches soigneusement conçues, et comment ceux-ci apparaîtront lorsqu'ils seront imagés par des rayons X polarisés.

"Les simulations sont une partie extrêmement importante de ce processus, nous permettant de comprendre les images expérimentales et de concevoir des structures qui supporteront les hopfions, skyrmions, ou d'autres structures de spin 3D conçues, " dit Hellman.

Pour comprendre comment les hopfions fonctionneront finalement dans un appareil, les chercheurs prévoient d'utiliser les capacités uniques et les installations de recherche de classe mondiale de Berkeley Lab - que Fischer décrit comme "essentielles pour effectuer un tel travail interdisciplinaire" - pour étudier plus avant le comportement dynamique des quasiparticules quichottes.

"Nous savons depuis longtemps que les textures de spin sont presque inévitablement en trois dimensions, même dans des films relativement minces, mais l'imagerie directe a été expérimentalement difficile, " dit Hellman. " Les preuves ici sont passionnantes, et cela ouvre des portes pour trouver et explorer des structures de spin 3D encore plus exotiques et potentiellement importantes. »