Des tourbillons magnétiques à l'échelle nanométrique connus sous le nom de skyrmions peuvent se former dans certains matériaux tels que les films magnétiques minces. Ces minuscules tourbillons s'entassent dans des réseaux denses qui sont plus stables que les domaines magnétiques conventionnels et peuvent être transportés et manipulés avec une puissance électrique minimale, des caractéristiques très prometteuses pour les futures applications de stockage d'informations. Pour exploiter des skyrmions dans de telles technologies de mémoire, cependant, les scientifiques ont besoin d'une meilleure compréhension de leurs propriétés fondamentales.

Parc Hyun Soon, Toshiaki Tanigaki et ses collègues du RIKEN Center for Emergent Matter Science, en partenariat avec des chercheurs industriels et universitaires de tout le Japon, ont maintenant fait des progrès majeurs dans ce domaine en réalisant la première analyse tridimensionnelle des réseaux de skyrmions à l'aide d'un microscope holographique électronique.

L'équipe dirigée par RIKEN a mis au point des techniques pour visualiser les skyrmions en deux dimensions à l'aide de techniques telles que la microscopie électronique à transmission de Lorentz. Cependant, la structure magnétique des skyrmions - définie par l'orientation des spins des électrons - n'est pas plate, et implique à la place une distribution tridimensionnelle des orientations de rotation pour former un véritable vortex. L'analyse quantitative de cette structure est difficile car les caractéristiques dépassent la limite de résolution de la microscopie de Lorentz et peuvent être obscurcies par la rugosité inhérente de la surface du film.

Holographie électronique, une technique pour générer des visualisations tridimensionnelles à partir d'ondes électroniques interférentes, peut être utilisé pour résoudre des structures magnétiques avec des détails sans précédent. Grâce à la collaboration avec le groupe de feu Akira Tonomura, un ancêtre de l'holographie électronique, à Hitachi, Ltd, les chercheurs ont construit un microscope holographique électronique à haute tension avec une puissance suffisante pour résoudre la structure du skyrmion.

À l'aide de leur microscope holographique, les chercheurs ont imagé la structure magnétique d'un film mince de fer-cobalt-silicium tout en appliquant un champ magnétique. Au fur et à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente, ils ont observé un changement dans l'arrangement du spin des électrons d'une structure hélicoïdale à la structure tourbillonnante du skyrmion. Les images tridimensionnelles ont révélé que les skyrmions adoptent une forme cylindrique distincte avec un motif intérieur étrangement beau (Fig. 1). Curieusement, ce vortex magnétique passe de la droite à la gauche lorsque la direction du champ magnétique appliqué est modifiée.

Park note que les skyrmions avec des configurations de spin cylindriques devraient fournir un couple de transfert de spin plus efficace, un facteur critique dans le transport des skyrmions pour les applications de stockage de données. Il est également convaincu que l'holographie électronique à haute tension a un énorme potentiel pour résoudre bon nombre des incertitudes associées aux dispositifs spintroniques. "Voir des structures magnétiques complexes avec une grande précision ou en trois dimensions est essentiel pour comprendre ces systèmes, " note-t-il.