Une équipe multinationale de chercheurs de l'Université de Tohoku et d'institutions au Royaume-Uni, L'Allemagne et la Suisse ont révélé les états magnétiques de gyroïdes nanométriques, Nanostructures de type réseau chiral 3-D. Les résultats ajoutent un nouveau système candidat pour la recherche sur le traitement de l'information non conventionnel et les phénomènes émergents liés à la spintronique.

Des réseaux de nanostructures en interaction offrent la possibilité de réaliser des propriétés matérielles sans précédent, car les interactions peuvent donner lieu à de nouvelles, phénomènes « émergents ». En magnétisme, de tels phénomènes émergents n'ont jusqu'à présent été démontrés qu'en 2-D, dans les glaces de spin artificielles et les cristaux magnéniques. Cependant, progrès vers la réalisation de « métamatériaux magnétiques, " qui pourrait constituer la base de dispositifs spintroniques avancés en affichant des effets émergents en 3-D, a été entravé par deux obstacles. Le premier est la nécessité de fabriquer des blocs de construction 3-D complexes à des dimensions inférieures à 100 nm (comparables aux échelles de longueur magnétiques intrinsèques) et le second est le défi de visualiser leurs configurations magnétiques.

L'équipe de recherche a donc décidé d'étudier des gyroïdes magnétiques à l'échelle nanométrique, Réseaux 3-D composés de 3 sommets connectés définis par des triades d'entretoises courbes de type nanofil (Figure 1). Les gyroïdes ont suscité beaucoup d'intérêt, car malgré leur complexité, ils peuvent s'auto-assembler à partir d'une combinaison soigneusement formulée de polymères, qui peut être utilisé comme moule ou modèle 3D pour former des nanostructures autonomes (Figure 2). Comme les entretoises se connectent pour former des spirales, les gyroïdes ont une « latéralité » ou chiralité, et leur forme fait des gyroïdes magnétiques des systèmes idéaux pour tester les prédictions de nouvelles propriétés magnétiques émergeant de la courbure. Les mesures des propriétés optiques des gyroïdes ont même montré que les gyroïdes peuvent avoir des propriétés topologiques, qui, avec les effets chiraux, font actuellement l'objet d'études intenses pour développer de nouvelles classes de dispositifs spintroniques. Cependant, les états magnétiques qui pourraient exister dans les gyroïdes n'avaient pas encore été établis, menant à la présente étude.

Les chercheurs ont produit Ni 75 Fe 25 nanostructures à simple gyroïde et à double gyroïde (formées à partir d'une paire de gyroïdes simples à image miroir) avec des entretoises de 11 nm de diamètre et une cellule unitaire de 42 nm, via la modélisation et l'électrodéposition de copolymères séquencés. Ces dimensions sont comparables aux largeurs de paroi de domaine et aux longueurs d'onde des ondes de spin dans Ni-Fe. Ils ont ensuite imagé les nanoparticules gyroïdes avec holographie électronique hors axe, qui pourrait cartographier les modèles de magnétisation et de champ magnétique parasite dans et autour des entretoises des gyroïdes avec une résolution spatiale nanométrique. L'analyse des motifs à l'aide de simulations micromagnétiques par éléments finis a révélé un état magnétique très complexe qui est globalement ferromagnétique mais sans configuration d'équilibre unique (Figure 3), impliquant qu'un gyroïde magnétique peut adopter un grand nombre d'états stables.

"Ces résultats établissent les gyroïdes magnétiques comme un candidat d'intérêt pour des applications telles que le calcul des réservoirs et la logique à ondes de spin, " a déclaré l'auteur principal Justin Llandro." La recherche fait un premier pas passionnant vers des métamatériaux magnétiques à l'échelle nanométrique 3D qui peuvent être utilisés pour découvrir de nouveaux effets émergents et faire progresser la recherche fondamentale et appliquée en spintronique. »