Des skyrmions magnétiques nanométriques à champ nul: un pas de plus vers les applications

Publié par Redbran le 07/10/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG

Les skyrmions magnétiques présentent un grand intérêt pour le stockage et le traitement des informations à l'échelle nanométrique. Cependant, stabiliser de petits skyrmions sans appliquer un champ magnétique externe reste un défi. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) ont développé une structure magnétique qui améliore leur stabilité contre les perturbations du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) externe, ce qui en fait une plate-forme prometteuse pour les dispositifs spintroniques.

Les skyrmions magnétiques fascinent actuellement de nombreux groupes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) dans le monde (Le mot monde peut désigner :), car ils pourraient offrir une nouvelle façon de stocker et de traiter les informations à l'échelle nanométrique dans nos ordinateurs. Ces textures de l'aimantation de taille nanométrique sont composées de nano-aimants élémentaires ("spins") qui s'enroulent pour former une structure en spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en...) stable, comme un noeud bien serré. Bien que prédites dans les années 80, elles n'ont été observées pour la première fois qu'en 2009. Trois ans plus tard, deux équipes de recherche ont démontré que les skyrmions peuvent être manipulés par des courants électriques très faibles, ouvrant de ce fait la voie à leur utilisation comme supports d'informations dans les appareils informatiques. Plusieurs dispositifs de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) et de logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος),...) révolutionnaires basés sur la manipulation du skyrmion dans des nano-pistes ont ainsi été proposés. Ces dispositifs promettent une très grande densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'informations et une faible consommation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Cependant, ces applications restaient encore lointaines car les skyrmions n'avaient été observés qu'à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (environ 240 °C en-dessous de zéro) ou en présence de grands champs magnétiques et dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) exotiques loin de toute application.

En 2016, les chercheurs du laboratoire Spintec de l'Irig ont fait une découverte importante en démontrant l'existence de skyrmions magnétiques à température ambiante dans une couche très fine de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) de quelques atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'épaisseur, couche disposée en sandwich entre une couche de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) et d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.).

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont fait un pas de plus vers les applications en démontrant que ces skyrmions peuvent être stabilisés en l'absence de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique appliqué, un avantage crucial pour les dispositifs. Plus encore, les skyrmions sont cinq fois plus petits que ceux précédemment décrits (jusqu'à 30 nm), ce qui a pour effet d'augmenter la densité d'information dans les mémoires. Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont utilisé un empilement dit à "polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) d'échange", qui associe à la couche ferromagnétique ultrafine qui porte les skyrmions, une couche antiferromagnétique. Ce type d'empilement n'est pas inconnu puisqu'il est déjà employé dans les mémoires magnétiques MRAM qui sont développées au laboratoire Spintec. Pour observer ces skyrmions très petits, les chercheurs ont fait appel à une technique innovante, la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) magnétique à centre NV (Nitrogen-Vacancy, ou centre azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) lacune), maîtrisée par l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Montpellier. Ces résultats sont prometteurs pour la réalisation de dispositifs de mémoire et de logique basés sur des skyrmions magnétiques.


Une image de skyrmion magnétique stabilisée en l'absence de champ magnétique externe, obtenue par microscopie magnétique à centre NV. Le croquis en dessous de l'image illustre l'empilement de films ultrafins. Celui-ci est composé d'une multicouche magnétique Pt/Co/NiFe (FM) couplée à une couche antiferromagnétique IrMn (AFM). Le couplage d'échange entre les deux couches induit un champ magnétique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) (Bint) qui permet de stabiliser des petits skyrmions (50 nm en moyenne) en l'absence de champ magnétique.

Références:

Rana KG, Finco A, Fabre F, Chouaieb S, Haykal A, Buda-Prejbeanu LD, Fruchart O, Le Denmat S, David P, Belmeguenai M, Denneulin T, Dunin-Borkowski RE, Gaudin G, Jacques V and Boulle O

Room-temperature skyrmions at zero field in exchange-biased ultrathin films. Physical Review Applied, 2020.
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