Dans la nature, le mouvement collectif de certains oiseaux et poissons, comme respectivement les volées d’étourneaux et les bancs de sardines, peut générer des phénomènes dynamiques impressionnants. Leur étude constitue la science de la matière active, qui suscite un grand intérêt depuis trois décennies.

La dynamique collective unique de la matière active est régie par le mouvement de chaque entité individuelle, les interactions entre elles, ainsi que leur interaction avec l'environnement.

Des études récentes montrent que certaines molécules et bactéries automotrices présentent un mouvement circulaire avec une chiralité fixe (propriété d'un objet où il ne peut pas être superposé à son image miroir par un nombre quelconque de rotations ou de traductions), ce qui peut permettre la sélection de molécules et bactéries avec une chiralité spécifique basée sur leur dynamique. Cependant, il y a un manque de recherche sur les objets semblables à de la matière active dans les matériaux magnétiques et ferroélectriques non biologiques pour les applications dans les appareils électroniques.

À cet égard, les skyrmions chiraux sont prometteurs. Il s'agit d'un type particulier de textures de spin dans les matériaux magnétiques avec des interactions d'échange asymétriques, qui peuvent être traitées comme des quasi-particules. Ils portent des charges topologiques entières et ont une chiralité fixe de +1 ou -1.

Récemment, un groupe de scientifiques, dirigé par le professeur Masahito Mochizuki du département de physique appliquée de l'université Waseda et comprenant le Dr Xichao Zhang de l'université Waseda et le professeur Xiaoxi Liu de l'université Shinshu, a étudié en profondeur les comportements de matière active des skyrmions chiraux. Leur article est publié dans la revue Nano Letters. .

Dans cette étude, les scientifiques ont placé des skyrmions chiraux dans des obstacles de nanostructure chirale sous la forme d’une simple fleur chirale. Ils ont ensuite étudié la dynamique de marche aléatoire du skyrmion activé thermiquement interagissant avec l'obstacle chiral en forme de fleur dans une couche ferromagnétique, ce qui pourrait créer des résultats dépendants de la topologie.

"Notre recherche démontre pour la première fois que les skyrmions chiraux magnétiques présentent des comportements actifs semblables à ceux de la matière, même s'ils sont d'origine non biologique et même s'ils sont simplement des modèles spatiaux intangibles", explique le professeur Mochizuki.

Le skyrmion avec une chiralité de -1 a le potentiel de laisser une fleur chirale gauche, et le skyrmion avec une chiralité de +1 a le potentiel de laisser une fleur chirale droite. Les chercheurs ont mené une série de simulations pour observer comment les skyrmions se comporteraient dans les deux cas à différentes températures :100 K, 150 K, 180 K et 200 K.

Ils ont fixé le temps de simulation à 500 ns, avec un pas de temps de 0,5 ns. L’équipe a découvert qu’en fonction de la combinaison de variables, le skyrmion reste à l’intérieur de l’obstacle ou s’en échappe. Étant donné que le mouvement du skyrmion est dû à un mouvement brownien dépendant de la température, qui est de nature désordonnée, il s'agit d'un cas intéressant d'obtention d'un résultat ordonné grâce à un mouvement désordonné. Ce système peut notamment être utilisé pour développer un dispositif de tri topologique.

Interrogé sur les implications à long terme de leurs travaux, le professeur Liu fait remarquer :"Les résultats de nos recherches pourraient être utiles pour construire de futurs dispositifs de traitement de l'information et informatiques dotés d'une densité de stockage élevée et d'une faible consommation d'énergie."

"À long terme, ils pourraient fournir des lignes directrices pour la conception et le développement de matériel électronique et spintronique non conventionnel, dans lesquels les informations sont transportées par des textures de spin topologiques dans des nanostructures. Cette réalisation devrait améliorer la vie des gens, car ils pourraient traiter les informations de manière économe en énergie, conduisant à une société plus verte », conclut le Dr Zhang.

Plus d'informations : Xichao Zhang et al, Skyrmions chiraux interagissant avec des fleurs chirales, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c03792

Informations sur le journal : Lettres nano

Fourni par l'Université Waseda