Les scientifiques savent depuis longtemps que le magnétisme est créé par les spins des électrons qui s'alignent de certaines manières. Mais il y a une dizaine d'années, ils ont découvert une autre couche de complexité étonnante dans les matériaux magnétiques :dans de bonnes conditions, ces spins peuvent former de petits vortex ou tourbillons qui agissent comme des particules et se déplacent indépendamment des atomes qui les ont engendrés.

Les minuscules tourbillons sont appelés skyrmions, du nom de Tony Skyrme, le physicien britannique qui a prédit leur existence en 1962. Leur petite taille et leur nature robuste, comme des nœuds difficiles à défaire, ont donné naissance à un domaine en pleine expansion consacré à mieux les comprendre. et exploiter leurs étranges qualités.

"Ces objets représentent certaines des formes les plus sophistiquées d'ordre magnétique que nous connaissons", a déclaré Josh Turner, scientifique au sein du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l'énergie et chercheur principal au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). au SLAC.

"Lorsque les skyrmions se forment", a-t-il déclaré, "cela se produit d'un seul coup, dans tout le matériau. Ce qui est encore plus intéressant, c'est que les skyrmions se déplacent comme s'ils étaient des particules individuelles et indépendantes. C'est comme une danse où tous les spins communiquent avec les uns des autres et se déplaçant à l'unisson pour contrôler le mouvement des skyrmions, et pendant ce temps, les atomes du réseau en dessous d'eux restent assis."

Parce qu'ils sont si stables et si petits - environ 1 000 fois la taille d'un atome - et sont facilement déplacés en appliquant de petits courants électriques, a-t-il dit, "il y a beaucoup d'idées sur la façon de les exploiter pour de nouveaux types d'informatique et de stockage de mémoire". des technologies plus petites et moins énergivores."

Le plus intéressant pour Turner, cependant, est la physique fondamentale derrière la formation et le comportement des skyrmions. Lui et ses collègues du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE et de l'Université de Californie à San Diego ont développé des méthodes pour capturer les activités des skyrmions dans leur état naturel et non perturbé avec des détails sans précédent à l'aide du laser à rayons X à électrons libres du SLAC, le Linac Coherent Light. Source (LCLS). Il leur permet de mesurer des détails à l'échelle nanométrique (aussi petits que des millionièmes de pouce) et d'observer les changements qui se produisent en milliardièmes de seconde.

Dans une série d'articles récents, ils décrivent des expériences qui suggèrent que les skyrmions peuvent former une phase semblable à du verre où leurs mouvements sont si lents qu'ils semblent coincés, comme des voitures dans un embouteillage. De plus, ils ont mesuré comment le mouvement naturel des skyrmions les uns par rapport aux autres peut osciller et changer en réponse à un champ magnétique appliqué, et ont découvert que ce mouvement inhérent ne semble jamais s'arrêter complètement. Cette fluctuation omniprésente, a déclaré Turner, indique que les skyrmions peuvent avoir beaucoup en commun avec les supraconducteurs à haute température - des matériaux quantiques dont la capacité à conduire l'électricité sans perte à des températures relativement élevées peut être liée à des bandes fluctuantes de spin et de charge d'électrons.

L'équipe de recherche a pu observer les fluctuations des skyrmions dans un film magnétique mince composé de nombreuses couches alternées de fer et de gadolinium en prenant des instantanés avec le faisceau laser à rayons X LCLS à seulement 350 billionièmes de seconde d'intervalle. Ils disent que leur méthode peut être utilisée pour étudier la physique d'un large éventail de matériaux, ainsi que leur topologie, un concept mathématique qui décrit comment la forme d'un objet peut se déformer sans changer fondamentalement ses propriétés. Dans le cas des skyrmions, la topologie est ce qui leur donne leur nature robuste, ce qui les rend difficiles à anéantir.

"Je pense que cette technique va se développer et devenir très puissante dans la physique de la matière condensée, car il n'y a pas beaucoup de moyens directs de mesurer ces fluctuations dans le temps", a déclaré Sujoy Roy, scientifique à l'Advanced Light Source de Berkeley Lab. "Il existe un grand nombre d'études qui peuvent être réalisées sur des choses comme les supraconducteurs, les oxydes complexes et les interfaces magnétiques."

Sergio Montoya, un scientifique du Center for Memory and Recording Research de l'UC San Diego qui a conçu et fabriqué le matériel utilisé dans cette étude, a ajouté :"Ce type d'information est important lorsque vous développez des appareils électroniques à grande échelle et que vous devez voir comment ils se comporter dans tout le matériel, pas seulement dans un petit endroit."

Instantanés rapides des changements à l'échelle atomique

Montoya a commencé à étudier le film de fer-gadolinium vers 2013. À l'époque, on savait déjà que des réseaux de skyrmions pouvaient se former lorsque des champs magnétiques étaient appliqués à certains aimants, et il y avait de gros efforts de recherche pour découvrir de nouveaux matériaux capables d'héberger des skyrmions à température ambiante. . Montoya a soigneusement conçu les matériaux en couches, ajustant les conditions de croissance pour ajuster les propriétés du réseau de skyrmion - "la conception et l'adaptation du matériau jouent un rôle énorme dans des études comme celles-ci", a-t-il déclaré - et s'est associé à Roy pour les examiner avec Rayons X de la source de lumière avancée.

Pendant ce temps, Turner et son équipe chez LCLS développaient un nouvel outil qui ressemble à un appareil photo pour prendre des instantanés de fluctuations à l'échelle atomique à des vitesses d'obturation extrêmement rapides. Deux impulsions laser à rayons X, chacune d'une durée d'à peine un millionième de milliardième de seconde, ont frappé un échantillon à des millionièmes ou à des milliardièmes de seconde d'intervalle. Les rayons X pénètrent dans un détecteur et forment des « motifs de mouchetures », chacun aussi unique qu'une empreinte digitale, qui révèle des changements subtils dans la structure complexe du matériau.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."