Dynamique des états de spin du skyrmion confirmée dans des expériences de diffusion de neutrons

Les chercheurs du RIKEN ont rapproché les dispositifs à faible énergie basés sur la spintronique, en mesurant la dynamique de minuscules vortex magnétiques.

À l’heure actuelle, toutes nos technologies de l’information reposent sur l’électronique conventionnelle, qui consiste à dériver des charges électriques autour des circuits. Cependant, les électrons possèdent une autre propriété appelée spin, qui pourrait être exploitée pour fabriquer des dispositifs plus rapides et plus efficaces.

Hazuki Kawano-Furukawa du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes et ses collègues dirigent les efforts visant à développer ce domaine de la spintronique. Ils explorent notamment l’utilisation de tourbillons magnétiques à l’échelle nanométrique appelés skyrmions.

“Les Skyrmions peuvent être contrôlés avec des courants ou des champs électriques nettement plus faibles”, explique Kawano-Furukawa. “Cela les rend très prometteurs pour de futures applications dans les technologies de l’information et de la communication, telles que la mémoire informatique qui n’a pas besoin d’énergie pour conserver les données stockées.”

L’équipe s’est concentrée sur le matériau monosiliciure de manganèse, un hélimagnétique, ainsi appelé parce que les spins de son réseau moléculaire s’alignent selon des motifs hélicoïdaux. Un équipement extrêmement sensible était nécessaire pour mesurer les excitations magnétiques les plus faibles dans les états skyrmion. Leurs recherches ont été publiées dans Physique naturelle.

“La seule méthode qui répond à la fois aux exigences de résolution spatiale et énergétique à cet effet est la technique de l’écho de spin des neutrons”, explique Kawano-Furukawa. “Nous avons mené des expériences à l’aide du spectromètre à écho de spin neutronique IN15 de pointe à l’Institut-Laue-Langevin de Grenoble, en France. Cet instrument possède les performances les plus élevées au monde pour étudier la dynamique des matériaux dans des champs magnétiques.”

La méthode de l’écho de spin fonctionne en éclairant un échantillon avec un faisceau de neutrons et en mesurant la manière dont les champs magnétiques de l’échantillon affectent le spin et la vitesse des neutrons.

Grâce à leurs observations, l’équipe a vérifié les prédictions théoriques selon lesquelles les structures en forme de cordes des skyrmions provoquent une dispersion asymétrique des excitations dans le réseau du monosiliciure de manganèse. Selon les mots de Kawano-Furukawa, ces excitations « savent » si elles se déplacent parallèlement ou antiparallèlement aux noyaux des tourbillons de skyrmion. Cette confirmation de la théorie ouvre la voie à une meilleure exploitation des skyrmions.

L’équipe a dû attendre deux ans pour confirmer ses résultats. “Nous avons mené notre première expérimentation en octobre 2018”, précise-t-elle. “Cependant, pour tirer des conclusions définitives, nous devions confirmer que le comportement avait été observé uniquement dans la phase skyrmion, et non dans une autre structure magnétique appelée phase conique. En raison de la pandémie de COVID-19, l’expérience de suivi a été reportée à janvier 2021 et a été réalisée à distance, posant divers défis.

L’équipe a désormais l’intention de poursuivre ses recherches sur la manière dont les skyrmions magnétiques sont générés. “Nous visons à étudier la coexistence des phases conique et skyrmion dans le monosiliciure de manganèse”, explique Kawano-Furukawa.