Spintronique: réaliser des skyrmions antiferromagnétiques

Publié par Adrien le 11/05/2020 à 09:00
Source: CEA
Des structures magnétiques chirales aux parois de domaines ferroélectriques


(c) Iuliia Kanivets
Une collaboration impliquant le CEA-Iramis montre que la perte locale de symétrie au niveau des parois de domaines ferroélectriques dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) antiferromagnétique est à l'origine d'ébauches de vortex de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...) (skyrmions), topologiquement "chirales" (avec enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire (tour du support), comme aussi...) droit ou gauche des spins). Une voie nouvelle pour produire de véritable skyrmions antiferromagnétiques ?

Les skyrmions sont des vortex ou tourbillons de spin qui peuvent être présents dans des supraconducteurs ou des cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de...) nématiques. Leur petite taille, leur faible coût et leur stabilité sont autant d'atouts pour leur utilisation dans des dispositifs de stockage de l'information de très haute densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps...).

Il est maintenant possible de produire des skyrmions dans des multicouches ferromagnétiques où une brisure de symétrie autorise une 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.) asymétrique entre spins adjacents, favorisant un enroulement chiral de l'aimantation. Des "bulles" chirales peuvent ainsi être créées et déplacées sous l'action d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...). La trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de ces bulles est cependant déviée et ne suit pas les lignes de courant.

Par ailleurs, les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) antiferromagnétiques - dont l'aimantation globale est nulle, les spins adjacents étant antiparallèles - apparaissent prometteurs en spintronique: leur structure magnétique est intrinsèquement stable et leur vitesse (On distingue :) de commutation se situe dans le régime térahertz (1012 Hz).

L'idée des chercheurs consiste à réaliser des "skyrmions antiferromagnétiques" qui pourraient être guidés en ligne droite, à des vitesses très supérieures à celles observées dans les ferromagnétiques. Plusieurs problèmes doivent cependant être surmontés. Ces skyrmions sont très difficiles à stabiliser et la manipulation de l'ordre antiferromagnétique est très difficile. D'où le choix d'un matériau multiferroïque, à la fois antiferromagnétique et ferroélectrique, comme le ferrite de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) BiFeO3, dans lequel un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence...) permet d'influencer l'ordre magnétique.

Les chercheurs ont donc étudié des couches de SrTiO3/SrRuO3/BiFeO3 qui présentent une grande densité de parois ferroélectriques (séparant deux domaines de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation...) électrique d'orientations différentes) obtenus pour des conditions particulières de croissance.

L'étude a été réalisée en partie au synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) en "diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être...) résonante en réflectivité". Cette technique sensible permet de mettre en évidence la chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est appelé chiral s'il diffère de son image miroir. De tels...) des structures magnétiques en analysant la différence d'intensité de diffraction entre du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X de polarisation circulaire gauche et droite. Les mesures, confortées par la modélisation, révèlent un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) rectangulaire d'entités magnétiques chirales, au niveau des parois de domaines de la structure ferroélectrique. Ces entités ne sont que des ébauches de skyrmions mais elles doivent permettre de faire émerger de "vrais" skyrmions, avec leur topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des...) caractéristique complète.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le synchrotron Soleil (St-Aubin), 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 la...) CNRS-Thales (Palaiseau) et le Laboratoire Charles Coulomb (Université de Montpellier-CNRS).

Références:
Electric and antiferromagnetic chiral textures at multiferroic domain walls, Nature Materials
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