De nouvelles multicouches magnétiques pour les skyrmions

Publié par Redbran le 20/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Les skyrmions sont des quasiparticules magnétiques en forme de nano-tourbillons d'aimantation, prometteuses pour la mise au point de mémoires magnétiques de future génération. En exploitant l'asymétrie des couches de dichalcognénures de métaux de transition de type Janus, les calculs des auteurs prédisent ici une nouvelle possibilité de générer des skyrmions et donnent les conditions de leur stabilité.


Vue du dessus (figure du haut) et de côté (figure au milieu) de la structure de la monocouche MnSeTe point (Graphie) de départ des calculs ab initio (Mn en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), Se en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie...), Te en vert). Les flèches jaunes désignent l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) des atomes de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...). Les interactions de type DMI favorisent un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine....) de rotation de ces spins quand on va de gauche à droite sur la structure représentée en profil (pour MnSeTe les rotations favorisées correspondent aux flèches avec parenthèse sur la figure). Cette "chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir : main) est une importante propriété d’asymétrie dans diverses branches de la science.)" des interactions DMI est à l'origine de la formation de skyrmions.

La figure du bas est une image de skyrmions prédite par des simulations de Monte Carlo pour un couche MnSeTe d'aimantation perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la notion de...) au plan de la figure (couleur bleu). Les skyrmions ont la forme d'un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) dont l'aimantation centrale (couleur rouge) est opposée à celle de la couche. Les simulations ont été réalisées pour une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) de 10K et un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) de 0.3 T. Les skyrmions subsistent jusqu'à 150K.

Les skyrmions magnétiques sont des quasiparticules de spin, analogues à des tourbillons à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.), que l'on peut créer, déplacer et détecter à l'aide de courants électriques dans des nano-circuits. Ces textures magnétiques nanométriques sont intéressantes pour de nombreux types d'applications en nanoélectronique, comme la fabrication de mémoires ou de dispositifs logiques. Les recherches menées sur les skyrmions se sont concentrées jusqu'à présent sur des multicouches magnétiques métalliques associant des couches de métaux magnétiques classiques (cobalt, fer...) et des couches de métaux lourds (platine, irridium...), une association générant des interactions magnétiques favorables à l'existence de skyrmions.

Dans ce travail, une collaboration entre le laboratoire Spintronique et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des composants (Spintec, CNRS/UGA/CEA), l'Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) (UMPhy, CNRS/Thales) et des chercheurs du NIMTE en Chine, prédit que des skyrmions peuvent aussi exister dans des monocouches de Dichalcogénures de Métaux de Transition (TMD) de type Janus, exploitant ainsi cette nouvelle classe des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques issue de la grande famille des matériaux bidimensionnels comme le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Ces résultats sont parus dans la revue Physical Review B (Editors' suggestion).

Un exemple de TMD est MnSe2, constitué d'une couche centrale de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) (Mn) entourée de deux couches de sélénium (Le sélénium est un élément chimique, de la famille des chalcogènes, de symbole Se et de numéro atomique 34.) (Se). Un TMD de type Janus est MnSeTe, où un chalcogène (La famille des chalcogènes (du grec ancien chalcos "minerais" et gena "naissance") est formée par la colonne 16 (anciennement VIA) du tableau périodique des éléments. Elle comprend l'oxygène (O),...) lourd, le tellure (Le tellure est un élément chimique, de symbole Te et de numéro atomique 52. C'est un métalloïde du groupe des chalcogènes.), remplace le sélénium sur un côté de la couche bidimensionnelle de TMD. Celle-ci présente alors, d'une part une asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) entre haut et bas, ce qui est une condition pour l'existence de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) responsable de la formation des skyrmions (l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya, DMI), et d'autre part un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) lourd, ce qui, comme pour les multicouches classiques, est aussi nécessaire pour que l'interaction DMI soit importante.

Les auteurs de l'article prédisent alors l'existence de skyrmions dans MnSeTe et dans MnSTe en s'appuyant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord sur des calculs de type ab initio qui montrent que la DMI peut être aussi importante que dans les multicouches classiques. Ils s'appuient ensuite sur des calculs de type Monte Carlo qui montrent comment ces skyrmions peuvent être stabilisés à basse température et en présence d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. Ces prédictions théoriques des plages de température et champ magnétique où des skyrmions peuvent être obtenus guideront l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) de cette nouvelle voie pour la réalisation des objets magnétiques topologiques fascinants que sont les skyrmions.

Référence:
Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize skyrmion states. J. Liang, W. Wang, H. Du, A.Hallal, K. Garcia, M. Chshiev, A. Fert, et H. Yang, Phys. Rev. B, paru le 11er mai 2020.
DOI: 10.1103/PhysRevB.101.184401.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et ArXiv.

Contacts:
- Mairbek Chshiev - Professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Grenoble Alpes, Spintronique et technologie des composants - mair.chshiev at cea.fr
-Communication INP -inp.com at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
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