Fig. 1 :Une seule impulsion laser d'intensité appropriée peut créer des motifs de skyrmions aléatoires avec une densité définie par un champ magnétique externe (flèches fines). Ce schéma d'écriture laser de skyrmions peut être utilisé comme un "reshuffler de skyrmions" ultrarapide pour le calcul stochastique. La zone entourée par la ligne pointillée marque le champ de vision du microscope à rayons X utilisé pour voir les skyrmions magnétiques apparaître sous forme de points noirs. Le champ de vision est de 1 µm de diamètre. Crédit :Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Plus petite, plus rapide, plus économe en énergie :les exigences futures en matière de calcul et de stockage de données sont difficiles à satisfaire et des concepts alternatifs sont continuellement explorés. Petites textures magnétiques, soi-disant skyrmions, peut devenir un ingrédient dans de nouveaux dispositifs de mémoire et de logique. Afin d'être considéré pour une application technologique, cependant, un contrôle rapide et économe en énergie de ces skyrmions nanométriques est requis
Les skyrmions magnétiques sont des plaques de magnétisation semblables à des particules qui se forment sous forme de très petits tourbillons dans un matériau autrement uniformément magnétisé. En particulier les couches minces ferromagnétiques, les skyrmions sont stables à température ambiante, avec des diamètres allant jusqu'à dix nanomètres. On sait que les skyrmions peuvent être créés et déplacés par de courtes impulsions de courant électrique. Ce n'est que récemment qu'il a été découvert que de courtes impulsions laser sont également capables de créer et d'annihiler des skyrmions. Contrairement aux impulsions de courant électrique, des impulsions laser d'une durée inférieure à la picoseconde peuvent être utilisées, fournissant un itinéraire plus rapide et potentiellement plus économe en énergie pour écrire et supprimer les informations codées par skyrmions. Cela rend l'écriture laser skyrmion intéressante pour les applications technologiques, y compris la mémoire alternative et les dispositifs logiques.
Des scientifiques de l'Institut Max Born et des collègues de Helmholtz-Zentrum Berlin, Le Massachusetts Institute of Technology et d'autres instituts de recherche ont maintenant étudié en détail comment la création et l'annihilation des skyrmions par laser peuvent être contrôlées pour promouvoir l'application du processus dans les appareils. Pour imager les skyrmions magnétiques, l'équipe de chercheurs a utilisé la microscopie à rayons X holographique, ce qui peut rendre les minuscules tourbillons d'aimantation d'un diamètre de 100 nanomètres et moins visibles. Pouvoir voir les skyrmions, ils ont pu étudier systématiquement comment les impulsions laser avec différentes intensités, appliqué en présence d'un champ magnétique extérieur, peut créer ou supprimer des skyrmions. Deux types de systèmes matériels, conçu pour pouvoir héberger des skyrmions magnétiques en premier lieu, ont fait l'objet d'une enquête, tous deux constitués d'empilements multicouches ultrafins de matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques.
Fig 2 :La densité de skyrmions en fonction du champ magnétique externe. Au fur et à mesure que le champ diminue, la densité de skyrmions augmente de manière linéaire. Les images en médaillon montrent des exemples des motifs skyrmions créés par l'impulsion laser, le champ de vision a un diamètre de 1,5 µm. Crédit :Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Sans surprise étant donné la nature thermique du processus, l'intensité du laser doit être correcte. Cependant, il existe une fenêtre d'intensités laser dépendante du matériau qui permet la création d'un nouveau motif de skyrmion totalement indépendant de l'état magnétique précédent. Pour des intensités plus faibles, un motif existant reste inchangé ou n'est que légèrement modifié, pour des intensités beaucoup plus élevées, la structure multicouche est endommagée. Remarquablement, le nombre de skyrmions créés dans le spot laser n'est pas influencé par l'intensité du laser. Au lieu, les chercheurs ont découvert que la présence d'un champ magnétique externe permet de contrôler avec précision la densité des skyrmions créés. La force du champ externe fournit donc un bouton pour régler le nombre de skyrmions créés et permet même l'annihilation des skyrmions, comme le rapportent les scientifiques dans le journal Lettres de physique appliquée .
Ils ont démontré la création ou l'annihilation contrôlée de skyrmions uniques dans le spot laser, comme requis pour les applications de stockage de données où un seul bit pourrait alors être représenté par la présence ou l'absence d'un skyrmion. D'intérêt pour une application potentielle de l'appareil, cependant, est également la capacité de générer simultanément une densité particulière de skyrmions dans la zone éclairée par une seule impulsion laser. Ce processus pourrait être utilisé comme un "reshuffler skyrmion" dans l'informatique stochastique. Là, les nombres sont représentés sous forme de chaînes de bits aléatoires de "0" et "1, " avec la probabilité de rencontrer " 1 " codant la valeur numérique. Les calculs peuvent alors être effectués via des opérations logiques entre des bits individuels de différents nombres d'entrée. Bien qu'il s'agisse clairement d'une approche de niche par rapport à la logique numérique dominante, l'informatique stochastique s'est avérée prometteuse pour des problèmes particuliers tels que le traitement d'images. Cependant, des chaînes de bits complètement aléatoires sont nécessaires comme signaux d'entrée pour des résultats corrects des opérations de calcul stochastique. Comme démontré dans ce travail, un tel "remaniement" aléatoire des skyrmions peut être effectué optiquement sur une échelle de temps de picosecondes, compatible avec la vitesse d'horloge informatique de pointe et beaucoup plus rapide que dans les concepts précédents basés sur la diffusion thermique fonctionnant sur l'échelle de temps des secondes.
