La révolution de la technologie Spintronics pourrait être juste un hopfion loin

UNEil y a dix ans, la découverte de quasi-particules appelées skyrmions magnétiques a fourni de nouveaux indices importants sur la façon dont les textures de spin microscopiques permettront la spintronique, une nouvelle classe d’électronique qui utilise l’orientation du spin d’un électron plutôt que sa charge pour coder des données.

Mais bien que les scientifiques aient fait de grands progrès dans ce domaine très jeune, ils ne comprennent toujours pas complètement comment concevoir des matériaux de spintronique qui permettraient des dispositifs ultra-petits, ultra-rapides et de faible puissance. Les Skyrmions peuvent sembler prometteurs, mais les scientifiques ont longtemps traité les skyrmions comme de simples objets 2D. Des études récentes, cependant, ont suggéré que les skyrmions 2D pourraient en fait être la genèse d’un motif de spin 3D appelé hopfions. Mais personne n’avait pu prouver expérimentalement que des hopfions magnétiques existent à l’échelle nanométrique.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs codirigée par Berkeley Lab a rapporté dans Nature Communications la première démonstration et observation de sauts 3D émergeant de skyrmions à l’échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) dans un système magnétique. Les chercheurs affirment que leur découverte annonce une avancée majeure dans la réalisation de dispositifs de mémoire magnétique haute densité, haute vitesse, faible puissance, mais ultrastables qui exploitent la puissance intrinsèque du spin électronique.

«Nous avons non seulement prouvé qu’il existait des textures de spin complexes telles que les hopfions 3D, mais nous avons également montré comment les étudier et donc les exploiter», a déclaré le co-auteur principal Peter Fischer, chercheur principal de la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, également professeur adjoint à physique à l’UC Santa Cruz. «Pour comprendre comment fonctionnent réellement les espérances, il faut savoir les faire et les étudier. Ce travail n’a été possible que parce que nous disposons de ces outils incroyables au Berkeley Lab et de nos partenariats de collaboration avec des scientifiques du monde entier », a-t-il déclaré.

Selon des études précédentes, les hopfions, contrairement aux skyrmions, ne dérivent pas lorsqu’ils se déplacent le long d’un appareil et sont donc d’excellents candidats pour les technologies de données. En outre, des collaborateurs de la théorie au Royaume-Uni avaient prédit que des hopfions pourraient émerger d’un système magnétique 2D multicouche.

L’étude actuelle est la première à tester ces théories, a déclaré Fischer.

À l’aide d’outils de nanofabrication à la fonderie moléculaire du laboratoire Berkeley, Noah Kent, un Ph.D. étudiant en physique à l’UC Santa Cruz et dans le groupe de Fischer au Berkeley Lab, a travaillé avec le personnel de Molecular Foundry pour découper des nanopiliers magnétiques à partir de couches d’iridium, de cobalt et de platine.

Les matériaux multicouches ont été préparés par Neal Reynolds, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley, sous la supervision du co-auteur principal Frances Hellman, qui détient les titres de chercheur principal de la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et de professeur de physique et de science et génie des matériaux à l’UC Berkeley. Elle dirige également le programme NEMM (Non-Equilibrium Magnetic Materials) du ministère de l’Énergie, qui a soutenu cette étude.

On sait que les hopfions et les skyrmions coexistent dans les matériaux magnétiques, mais ils ont un motif de spin caractéristique en trois dimensions. Ainsi, pour les distinguer, les chercheurs ont utilisé une combinaison de deux techniques avancées de microscopie magnétique à rayons X – X-PEEM (microscopie électronique à photoémission de rayons X) à l’installation utilisateur du synchrotron de Berkeley Lab, la source de lumière avancée; et la microscopie magnétique à transmission de rayons X doux (MTXM) à ALBA, une installation de lumière synchrotron à Barcelone, en Espagne – pour imager les modèles de spin distincts des hopfions et des skyrmions.

Pour confirmer leurs observations, les chercheurs ont ensuite effectué des simulations détaillées pour imiter comment les skyrmions 2D à l’intérieur d’un dispositif magnétique évoluent en sauts 3D dans des structures multicouches soigneusement conçues, et comment celles-ci apparaîtront lorsqu’elles seront imagées par une lumière de rayons X polarisée.

«Les simulations sont une partie extrêmement importante de ce processus, nous permettant de comprendre les images expérimentales et de concevoir des structures qui prendront en charge les sauts, les skyrmions ou d’autres structures de spin 3D conçues», a déclaré Hellman.

Pour comprendre comment les hopfions fonctionneront en fin de compte dans un appareil, les chercheurs prévoient d’utiliser les capacités uniques et les installations de recherche de classe mondiale de Berkeley Lab – que Fischer décrit comme «essentielles pour mener à bien ce travail interdisciplinaire» pour étudier plus en détail le comportement dynamique des quasiparticules quixotiques.

«Nous savons depuis longtemps que les textures de spin sont presque inévitablement tridimensionnelles, même dans des films relativement minces, mais l’imagerie directe a été un défi expérimental», a déclaré Hellman. «Les preuves ici sont passionnantes, et elles ouvrent des portes à la recherche et à l’exploration de structures de spin 3D encore plus exotiques et potentiellement significatives.»

Les co-auteurs avec Fischer et Hellman incluent David Raftrey, Ian TG Campbell, Selven Virasawmy, Scott Dhuey et Rajesh V. Chopdekar de Berkeley Lab; Aurelio Hierro-Rodriguez de l’Université d’Oviedo, et Andrea Sorrentino, Eva Pereiro et Salvador Ferrer du synchrotron ALBA, Espagne.

La source lumineuse avancée et la fonderie moléculaire sont les installations des utilisateurs du DOE Office of Science au Berkeley Lab.

Ce travail a été soutenu par le US Department of Energy Office of Science.