Les skyrmions sont des tourbillons à l'échelle nanométrique dans l'alignement magnétique des atomes. Pour la première fois, Les chercheurs du PSI ont maintenant créé des skyrmions antiferromagnétiques dans lesquels les spins critiques sont disposés dans des directions opposées. Cet état est montré dans l'impression de l'artiste ci-dessus. Crédit :Institut Paul Scherrer/Diego Rosales
Des tourbillons à l'échelle nanométrique connus sous le nom de skyrmions peuvent être créés dans de nombreux matériaux magnétiques. Pour la première fois, les chercheurs du PSI sont parvenus à créer et à identifier des skyrmions antiferromagnétiques dotés d'une propriété unique :les éléments critiques à l'intérieur sont disposés dans des directions opposées. Les scientifiques ont réussi à visualiser ce phénomène grâce à la diffusion des neutrons. Leur découverte est une étape majeure vers le développement de nouvelles applications potentielles, comme des ordinateurs plus efficaces. Les résultats de la recherche sont publiés aujourd'hui dans la revue La nature .
Le fait qu'un matériau soit magnétique dépend des spins de ses atomes. La meilleure façon de penser aux spins est comme de minuscules barres magnétiques. Dans une structure cristalline où les atomes ont des positions fixes dans un réseau, ces vrilles peuvent être disposées en croix ou alignées toutes parallèles comme les lances d'une légion romaine, en fonction du matériau individuel et de son état.
Dans certaines conditions, il est possible de générer de minuscules tourbillons au sein du corps de vrilles. Ceux-ci sont connus sous le nom de skyrmions. Les scientifiques s'intéressent particulièrement aux skyrmions en tant que composant clé des technologies futures, comme un stockage et un transfert de données plus efficaces. Par exemple, ils pourraient être utilisés comme bits mémoire :un skyrmion pourrait représenter le numérique, et son absence un zéro numérique. Comme les skyrmions sont nettement plus petits que les bits utilisés dans les supports de stockage conventionnels, la densité des données est beaucoup plus élevée et potentiellement aussi plus économe en énergie, tandis que les opérations de lecture et d'écriture seraient également plus rapides. Skyrmions pourrait donc être utile à la fois dans le traitement de données classique et dans l'informatique quantique de pointe.
Un autre aspect intéressant pour l'application est que les skyrmions peuvent être créés et contrôlés dans de nombreux matériaux en appliquant un courant électrique. "Avec les skyrmions existants, cependant, il est délicat de les déplacer systématiquement de A vers B, car ils ont tendance à s'écarter d'un chemin rectiligne en raison de leurs propriétés inhérentes, " explique Oksana Zaharko, chef de groupe de recherche au PSI.
En collaboration avec des chercheurs d'autres institutions, Le Dr Zaharko et son équipe ont maintenant créé un nouveau type de skyrmion et démontré une caractéristique unique :dans leur intérieur, les spins critiques sont disposés dans des directions opposées les uns aux autres. Les chercheurs décrivent donc leurs skyrmions comme antiferromagnétiques.
Oksana Zaharko dirige le groupe de recherche Solid Structures à l'Institut Paul Scherrer. Elle et son équipe ont identifié expérimentalement des skyrmions antiferromagnétiques pour la première fois. Crédit :Institut Paul Scherrer/Markus Fischer
En ligne droite de A à B
"L'un des principaux avantages des skyrmions antiferromagnétiques est qu'ils sont beaucoup plus simples à contrôler :si un courant électrique est appliqué, ils se déplacent en une simple ligne droite, " commente Zaharko. C'est un avantage majeur :que les skyrmions soient adaptés à des applications pratiques, il doit être possible de les manipuler et de les positionner sélectivement.
Les scientifiques ont créé leur nouveau type de skyrmion en les fabriquant dans un cristal antiferromagnétique personnalisé. Zaharko explique :" Antiferromagnétique signifie que les spins adjacents sont dans un arrangement antiparallèle, en d'autres termes un pointant vers le haut et le suivant pointant vers le bas. Donc, ce qui a été initialement observé comme une propriété du matériau, nous l'avons ensuite identifié dans les skyrmions individuels. »
Plusieurs étapes sont encore nécessaires avant que les skyrmions antiferromagnétiques soient suffisamment matures pour une application technologique :les chercheurs du PSI ont dû refroidir le cristal à environ moins 272 degrés Celsius et appliquer un champ magnétique extrêmement puissant de trois tesla - environ 100, 000 fois la force du champ magnétique terrestre.
Diffusion de neutrons pour visualiser les skyrmions
Et les chercheurs n'ont pas encore créé de skyrmions antiferromagnétiques individuels. Pour vérifier les minuscules tourbillons, les scientifiques utilisent la source suisse de neutrons de spallation SINQ au PSI. "Ici, nous pouvons visualiser les skyrmions en utilisant la diffusion de neutrons si nous en avons beaucoup dans un motif régulier dans un matériau particulier, " explique Zaharko.
Mais le scientifique est optimiste :« D'après mon expérience, si nous parvenons à créer des skyrmions dans un alignement régulier, quelqu'un parviendra bientôt à créer de tels skyrmions individuellement."
Le consensus général dans la communauté des chercheurs est qu'une fois que des skyrmions antiferromagnétiques individuels peuvent être créés à température ambiante, une application pratique ne sera pas loin.
