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Les ordinateurs du futur utiliseront peut-être des skyrmions

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On peut stocker des données au sein de matériaux magnétiques en réalisant des sortes de tourbillons magnétiques, les skyrmions. Nécessitant des densités de courant électrique 100.000 fois plus faibles pour être manipulés que les paquets d'atomes magnétisés des mémoires standards, ces skyrmions pourraient être utilisés pour réaliser des ordinateurs plus rapides, plus petits et plus économes.

Schéma montrant le basculement complexe de l'orientation du spin d'un électron (flèche noire) passant au-dessus d'un skyrmion magnétique. Des courants d'électrons n'ont pas besoin d'être intenses dans certaines conditions pour manipuler des skyrmions en interagissant avec eux. © Technische Universitaet Muenchen (TUM)

Depuis quelques années, les physiciens du solide découvrent que des structures exotiques prédites depuis longtemps dans les matériaux magnétiques existent bel et bien. Le cas des monopoles magnétiques est célèbre mais on a découvert aussi plusieurs exemples de skyrmions.

En 2009, des chercheurs allemands de l'université de Cologne et de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) à Munich avaient ainsi mis en évidence l'existence de cristaux de skyrmions magnétiques. Les skyrmions sont des solitons, sortes de paquets d'énergie stables dans des milieux décrits par des équations non linéaires aux dérivées partielles. L'un des exemples les plus connus se trouve en hydrodynamique. Il s'agit du mascaret, une onde solitaire observée la première fois par l'Écossais John Scott Russell au XIXe siècle qui a suivi pendant plusieurs kilomètres une vague remontant le courant et qui ne semblait pas vouloir faiblir.

En raison de leur caractère stable, on a proposé à plusieurs reprises que les particules élémentaires soient des solitons. C'est ce qu'avait avancé le physicien britannique Tony Skyrme il y a plus de cinquante ans. Les particules de Skyrme, baptisées en son honneur des skyrmions, peuvent être vues comme des tourbillons emportant du moment cinétique dans des milieux continus, par exemple des paquets d'atomes avec leur spin, un moment cinétique intrinsèque, orienté dans un champ magnétique. Souvent leur stabilité s'explique en liaison avec la topologie, une branche de la géométrie.

Exemple de skyrmions émergeant dans un réseau d'atomes magnétiques en deux dimensions plongés dans un champ magnétique. Les atomes sont comme des petits aimants dont l'orientation magnétique est donnée par les flèches en bleu et jaune. On voit des sortes de tourbillons locaux formés par des solitons topologiques. Topologiques parce qu'il n'est pas possible de transformer par déformation continue une distribution de flèches considérée en une autre sans tourbillons. De la même manière, une sphère ne peut pas devenir un tore par déformation continue puisque ce dernier possède une discontinuité, un trou. De même un tore n'est pas topologiquement équivalent à un bretzel puisque lui possède au moins deux trous. © Technische Universitaet Muenchen (TUM)

C'est d'abord dans un composé basé sur le manganèse et le silicium que les skyrmions magnétiques ont été découverts. Mais des chercheurs japonais n'ont pas tardé à prouver que le phénomène se produisait aussi dans d'autres milieux magnétiques en physique du solide.

Des mémoires magnétiques miniaturisées avec skyrmions 

Voilà qui peut intéresser l'informatique. En effet, des skyrmions peuvent se former avec une dizaine d'atomes seulement et on peut s'en servir pour stocker des bits d'informations. Or, il faut environ un million d'atomes orientés magnétiquement dans le même sens pour stocker un bit sur un disque dur ou une bande magnétique. Maîtriser l'écriture et la lecture de données à l'aide de cristaux de skyrmions magnétiques est donc une nouvelle voie de recherche qui pourrait faire encore chuter la taille des mémoires magnétiques. Plus généralement, ces skyrmions sont intéressants en spintronique.

De nouveaux travaux des chercheurs de l'université de Cologne et de la Technische Universitaet Muenchen (TUM), publiés dans le journal Nature mais disponibles sur arxiv vont dans ce sens.

En utilisant des faisceaux de neutrons, les physiciens ont découvert que des densités de courant électrique (en ampères/m2) 100.000 fois plus faibles que celles utilisées pour manipuler des bits magnétiques dans les mémoires standards suffisaient pour manipuler les skyrmions. En théorie, cela signifie donc qu'il est possible de stocker et de manipuler de l'information sur des supports magnétiques bien plus petits que ceux dont on dispose actuellement et avec moins d'énergie. 

On peut donc espérer un nouveau bon technologique dans l'avenir avec des cristaux de skyrmions. Mais on ne saurait passer sous silence une difficulté importante à surmonter pour que cette technologie future entre dans notre vie quotidienne. Les propriétés de conduction découvertes par les chercheurs ne fonctionnent qu'à très basses températures. Comme pour la supraconductivité, il faudrait pouvoir obtenir les mêmes phénomènes à températures ambiantes.

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