Les skyrmions, de minuscules tourbillons magnétiques qui apparaissent dans certaines combinaisons de matériaux, sont considérés comme des supports d'informations prometteurs pour le stockage de données futur. Une équipe de recherche de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, Université de Kiel, et l'Université d'Islande a découvert que ces nano-nœuds magnétiques se dénouent de deux manières distinctes. A l'aide d'un champ magnétique, la probabilité de réussir le déliement peut être variée jusqu'à un facteur 10, 000. Cette idée pourrait être révolutionnaire pour le futur traitement de l'information avec les skyrmions. La recherche a maintenant été publiée dans Physique de la nature .

Les nano-nœuds magnétiques codent des informations par leur présence ou leur absence. Les principaux avantages des nœuds sont qu'ils sont extrêmement stables, seulement quelques nanomètres, exister à température ambiante, et peut être déplacé par de très petits courants. En raison des faibles courants, la formation est lue et écrite d'une manière très économe en énergie. En principe, skyrmions peut également être utilisé pour le traitement de données, de telle sorte que le traitement et le stockage peuvent être combinés dans une seule structure. Cela rendrait les ordinateurs plus compacts et, plus important, plus économe en énergie. Sur la base de ces caractéristiques très prometteuses, les chercheurs du monde entier s'efforcent d'optimiser les propriétés de skyrmion, se concentrant particulièrement sur la stabilité de skyrmion. Alors que les skyrmions sont généralement extrêmement stables, les plus petits skyrmions, qui sont nécessaires pour une densité de stockage de données adéquate, se dégradent encore beaucoup trop rapidement à température ambiante. Une compréhension détaillée des mécanismes de désintégration possibles pourrait fournir des informations sur la façon d'améliorer considérablement leur stabilité.

La stabilité exceptionnelle des skyrmions est le résultat de la configuration en nœud de ces aimants atomiques. Comme avec un morceau de corde, où l'extrémité de la corde doit être tirée à travers un trou central, dénouer le nœud atomique demande un effort considérable. Pour le nano-nœud magnétique, il existe une solution un peu plus simple :après avoir inversé un seul aimant atomique contre les forces de restauration de ses atomes voisins, le nœud se dégrade continuellement sans effort supplémentaire. Cependant, jusqu'à maintenant, on ne savait pas lequel des aimants atomiques d'environ 100 dans un skyrmion est inversé le plus facilement et quel est exactement le processus.

Les chercheurs d'Aix-la-Chapelle, Kiel, et Reykjavik ont ​​mis leur expertise en commun pour répondre à ces questions. "Quel aimant atomique est tourné dépend de différentes conditions, " explique Florian Muckel de la Chaire RWTH de Physique Expérimentale (Solid State Physics) :" En modifiant un champ magnétique qui agit sur les skyrmions, nous pouvons choisir entre deux mécanismes distincts." Le premier mécanisme comprime initialement le skyrmion à la taille d'un seul nanomètre pour faciliter l'inversion de spin ultérieure au centre. L'autre mécanisme déplace le centre du nœud d'un nanomètre vers la périphérie du skyrmion, avant qu'un aimant atomique puisse y retourner son orientation assez facilement. En tant que professeur Markus Morgenstern, titulaire de la Chaire de Physique Expérimentale (Physique des Solides) explique :« A l'aide de ces deux procédés, nous avons pu améliorer l'efficacité du dénouement du nano-nœud. La stabilité du skyrmion varie jusqu'à un facteur 10, 000, où la configuration la plus stable peut résister à cent mille milliards de tentatives de dénouage avant que le nœud ne se dénoue."

La nouvelle compréhension de la façon de dénouer les nœuds magnétiques est basée sur une comparaison précise des expériences menées à Aix-la-Chapelle avec les travaux théoriques des chercheurs de Kiel et de Reykjavík. Simulations informatiques atomiques, sur la base de nouveaux outils théoriques qui ont mis de nombreuses années à se développer, sont capables de suivre le mouvement de chaque aimant atomique dans le processus de déliement. "Grâce à l'utilisation de paramètres d'interaction spécifiques aux matériaux obtenus à partir de calculs de mécanique quantique, les simulations montrent une très bonne adéquation avec les expériences innovantes, " explique le professeur Stefan Heinze. Pour les expériences, des électrons uniques sont déposés à des positions distinctes dans le skyrmion. A chaque poste, on détermine si le nano-nœud reste présent ou disparaît à l'aide de l'excès d'énergie fourni par les électrons supplémentaires. Sur la base de ces informations, des cartes de probabilité de réussir à dénouer le nœud ont été créées. "L'accord entre l'expérience et la simulation est impressionnant, " commente Stephan von Malottki, Université de Kiel, qui a effectué les simulations. "C'est une grande réussite de notre approche théorique, " ajoute le Dr Pavel Bessarab de Reykjavik, qui, grâce à une bourse Alexander von Humboldt, a travaillé dans le groupe de recherche du professeur Stefan Heinze à Kiel en 2019.

Les chercheurs pensent que les nouvelles connaissances sur les limites de stabilité des nano-nœuds magnétiques contribueront à les rendre encore plus stables dans la pratique. L'amélioration de la stabilité des skyrmions rendra leur application dans le traitement de l'information plus efficace. Cela pourrait aider les nano-nœuds à être appliqués dans le stockage de données commerciales dans un proche avenir, selon les chercheurs.

La structure d'équilibre du skyrmion affichée en haut (les cônes colorés symbolisent l'orientation des aimants atomiques) peut se désintégrer de deux manières différentes (gauche et droite). Ces chemins ont été découverts à l'aide de simulations informatiques. La structure de transition est indiquée dans la deuxième ligne. La troisième ligne affiche la distribution d'énergie correspondante pendant la transition avec une colline d'énergie marquant le renversement décisif d'un seul aimant atomique. Les cartes de la rangée la plus basse montrent les taux de transition pour les deux processus. Ces cartes ont été déterminées expérimentalement en déposant des électrons supplémentaires à 200 positions différentes dans le skyrmion et en déterminant si oui ou non le nano-nœud s'est défait en mesurant l'excès d'énergie des électrons.