Une étude de simulation menée par des chercheurs du RIKEN Center for Emergent Matter Science a démontré la faisabilité de l'utilisation de lasers pour créer et manipuler des tourbillons magnétiques à l'échelle nanométrique. La capacité de créer et de contrôler ces « skyrmions » pourrait conduire au développement de dispositifs de stockage d'informations basés sur skyrmions.

Les informations que nous consommons et avec lesquelles nous travaillons sont codées sous forme binaire (en tant que « 1 » ou « 0 ») en faisant basculer les caractéristiques des supports de mémoire entre deux états. Alors que nous approchons des limites de performances et de capacité des supports de mémoire conventionnels, les chercheurs se tournent vers la physique exotique pour développer la prochaine génération de mémoires magnétiques.

L'un de ces phénomènes exotiques est le skyrmion, une écurie, caractéristique magnétique de type tourbillon nanométrique caractérisée par un moment magnétique en rotation constante. Théoriquement, la présence ou l'absence d'un skyrmion à n'importe quel endroit dans un support magnétique pourrait être utilisée pour représenter les états binaires nécessaires au stockage de l'information. Cependant, les chercheurs ont trouvé difficile de créer et d'annihiler de manière fiable des skyrmions expérimentalement en raison de la difficulté à sonder la mécanique de ces processus dans les moindres détails. Le défi réside dans la durée incroyablement courte de ces processus, qui, à seulement un dixième de nanoseconde, est jusqu'à un milliard de fois plus courte que l'échelle de temps observable au microscope de Lorentz utilisé pour mesurer les propriétés magnétiques.

Les auteurs de l'étude, Wataru Koshibae et Naoto Nagaosa, a cherché une solution à ce problème en construisant un modèle informatique qui simule le chauffage d'un matériau ferromagnétique avec des lasers ponctuels (Fig. 1). Ce chauffage localisé crée à la fois des skyrmions et des « antiskyrmions ». Les simulations, basé sur la physique connue pour ces systèmes, ont montré que les caractéristiques des skyrmions dépendent fortement de l'intensité et de la taille du spot du laser. Plus loin, en manipulant ces deux paramètres, il est possible de contrôler les caractéristiques de skyrmion telles que le temps de création et la taille.

"La chaleur conduit à un mouvement aléatoire des spins magnétiques, " explique Nagaosa. " Nous avons donc trouvé surprenant que le chauffage local crée un objet ordonné topologiquement non trivial, sans parler des structures composites de skyrmions et antiskyrmions" La question du contrôle est ce qui différencie ces structures.

Nagaosa pense que comme les skyrmions sont assez stables, ces caractéristiques à l'échelle nanométrique pourraient éventuellement être utilisées comme support d'informations si un moyen fiable de les créer à volonté peut être obtenu. Les travaux de Koshibae et Nagaosa pourraient donc constituer la base du développement de dispositifs de mémoire de pointe. Les travaux fournissent également des informations précieuses sur la création de particules topologiques, ce qui est crucial pour faire progresser les connaissances dans de nombreux autres domaines de la physique.