Figure 1 :La structure cristalline du siliciure de gadolinium ruthénium, qui peut héberger un réseau carré de skyrmions magnétiques tourbillonnants (orange =gadolinium; vert =ruthénium; bleu =silicium). Crédit :Y. Yasui et al. CC BY 4.0
Les physiciens de RIKEN ont découvert comment les interactions entre les électrons peuvent stabiliser un arrangement répété de motifs magnétiques tourbillonnants appelés skyrmions, qui pourraient aider à exploiter davantage ces structures.
Le spin d'un électron le fait se comporter comme un aimant miniature. Dans un skyrmion, beaucoup de ces tours sont disposés en un motif tourbillonnant qui ressemble à une minuscule tornade. Les skyrmions sont très prometteurs en tant que moyen de transport d'informations dans une nouvelle génération de haute densité, dispositifs de stockage de données à faible consommation d'énergie.
Les skyrmions se comportent comme s'ils étaient des particules distinctes, et plusieurs skyrmions peuvent s'organiser en une grille régulière dans certains types de matériaux. Mais les chercheurs débattent toujours de la formation de ces réseaux de skyrmions stables.
Pour en savoir plus sur les réseaux skyrmion, Yuuki Yasui du RIKEN Center for Emergent Matter Science et ses collègues ont étudié un matériau métallique appelé siliciure de gadolinium et de ruthénium (GdRu2Si2; Fig. 1). Les électrons dans les atomes de gadolinium du matériau sont en grande partie responsables de ses propriétés magnétiques, tandis que les atomes de ruthénium apportent des électrons « itinérants » qui sont plus mobiles.
L'équipe avait précédemment découvert qu'en appliquant un champ magnétique au matériau, ils pourraient créer un réseau carré de skyrmions disposés en grille à des intervalles d'environ 2 nanomètres. Dans la nouvelle étude, ils ont utilisé une technique appelée microscopie à effet tunnel à imagerie spectroscopique (SI-STM) pour étudier les électrons itinérants dans GdRu2Si2.
Les chercheurs ont refroidi le matériau à -271 degrés Celsius et appliqué une gamme de champs magnétiques pour générer différents motifs magnétiques. Les mesures SI-STM ont montré que les changements dans les motifs magnétiques du matériau se reflétaient dans la distribution des électrons itinérants. Surtout, l'équipe a également vu que le motif du réseau skyrmion est imprimé sur les électrons itinérants du matériau, en raison des interactions entre les spins des électrons localisés et itinérants.
Les chercheurs suggèrent que ces interactions pourraient jouer un rôle important dans la formation du réseau skyrmion carré. "Le mécanisme proposé stabilise les réseaux skyrmions, " dit Yasui.
L'équipe a également effectué des calculs théoriques, basé sur les interactions entre électrons localisés et itinérants, pour prédire la distribution des électrons itinérants dans le matériau sous différents champs magnétiques. Ces distributions étaient très similaires aux modèles observés par SI-STM, en appui au dispositif proposé par les chercheurs.
En plus de fournir des indices sur la façon dont les réseaux skyrmions sont stabilisés, la recherche montre que SI-STM peut être utilisé pour surveiller indirectement le comportement des skyrmions. "Cela pourrait fournir aux chercheurs un outil utile pour étudier les réseaux de skyrmions dans d'autres matériaux, " dit Yasui.
