04 juillet 2016
Des skyrmions magnétiques observés à température ambiante
Contact : Olivier Boulle

Fig. 1 En noir et blanc : Image de microscopie magnétique d’un skyrmion magnétique au milieu dans un nanoplot d’environ 400 nm de côté (tiret blanc). Flèche de couleur : illustration de la structure magnétique du skyrmion.

Ces textures magnétiques nanométriques ont été observées à températures ambiantedans des matériaux compatibles avec l’industrie électronique par O. Boulle et ses collègues de Spintec à Grenoble. Ces résultats font sauter un verrou important quant à l’utilisation des skyrmions comme vecteur d’information à l’échelle nanométrique dans nos ordinateurs.

C’est une avancée importante qui a été faite par O. Boulle et ses collègues du laboratoire Spintec et de l’institut Néel à Grenoble en démontrant, dans une étude parue dans Nature Nanotechnology, des skyrmions magnétiques stables à température ambiante. Ces textures passionnent actuellement de nombreux groupes de recherche dans le monde, car ils pourraient permettre de développer un nouveau moyen destocker et traiter l’information à l’échelle nanométrique dans les ordinateurs. Cette quasi-particule magnétique pouvant avoir des tailles allant jusqu’à quelques nanomètres est composée de nanoaimantsélémentaires (« spins ») qui s’enroulent de proche en proche pour former une structure spirale très stable, comme un nœud bien serré. Prédite théoriquement dans les années 80, elle n’a été observée pour la première fois qu’en 2009. Trois ans plus tard, deux équipes démontrent que les skyrmions peuvent être manipulés par des courants électriques très faibles, ouvrant la voie à leur utilisation pour stocker et traiter l’information. Plusieurs dispositifs mémoire et logique révolutionnaires basés sur la manipulation de ces skyrmions dans des nanopistes magnétiques ont ainsi été proposés, promettant grande densité d’information ettrès faible consommation d’énergie. Cependant, ces applications restaient encore lointaines carles skyrmions n’avaient été observés jusqu’à aujourd’hui qu’à très basse température ou en présence de forts champ magnétiques et dans des matériaux exotiques loin de toute application.

En démontrant des skyrmions stables à température ambiante en l’absence de champ magnétique, O. Boulle et ses collègues ont ainsi fait sauter un verrou important. Pour cela, ils ont déposé une couche magnétique de cobalt très fine (quelques atomes d’épaisseurs), en sandwich entre une couche de métal lourd (du platine), et une couche d’oxyde de magnésium. Cette structure en sandwich permet d’augmenter fortement l’interaction magnétique à l’origine de la structure en hélice du skyrmion, dite interaction Dzyaloshinskii-Moryia, qui est présente aux interfaces entre un métal magnétique et des métaux lourds Par ailleurs, la technique de dépôt utilisée, appelée pulvérisation cathodique, a l’avantage d’être rapide etest couramment utilisée dans l’industrie microélectronique.

Une fois le matériau identifié, l’étape suivantea été d’observer ces skyrmion, notamment de la structure interne en forme d’hélice qui le caractérise, un vrai défi étant donné sa taille de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Pour cela, les longueurs d’onde de la lumière visible sont trop grandes et il est nécessaired’illuminer le skyrmion par les rayons X très purs générés dans les synchrotrons. C’est ainsi à l’aide de microscopes magnétiques très haute résolution « XMCD-PEEM » que le skyrmion et sa structure interne caractéristique ont pu être mis en évidence au synchrotron Elettra à Trieste et Alba à Barcelone (voir Fig.1).
La prochaine étape sera de parvenir à déplacer ces skyrmions individuels à l’aide d’un courant électrique, un pas de plus vers l’utilisation de ces nouvelles particules pour coder et manipuler l’information à l’échelle nanométrique.

Ces résultats ont été obtenus dans le cadre d’une collaboration entre plusieurs laboratoires français : Spintec et l’institut Néel à Grenoble, le laboratoire des sciences des procédés et des matériaux Université Paris 13. Les expériences d’imagerie magnétique XMCD-PEEM ont été effectuées aux synchrotrons Alba près de Barcelone en Espagne et Elettra, près de Trieste en Italie. Les échantillons ont été fabriqués à la plateforme de nanofabrication PTA à Grenoble.

Pour en savoir plus :

  • « Room-temperature chiral magnetic skyrmions in ultrathin magnetic nanostructures » O. Boulle et al., Nature Nanotechnology (2016)
  • « Skyrmion on the tracks », A. Fert et al., Nature Nanotechnology, 8, 152 (2016)
  • « Le skyrmion, mémoire en attente» D.Larousserie, Le monde, 26/08/2013

 

 

Maj : 12/07/2016 (1178)

 

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