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Des skyrmions pour les mémoires magnétiques du futur ?

ActualitéClassé sous :physique , microscopie à effet tunnel polarisé en spin , Skyrmion

Les mémoires magnétiques permettent déjà de stocker une importante quantité d'information avec des paquets atomes. On pense pouvoir encore réduire la taille de ces paquets et donc augmenter leur capacité de stockage. Pour ce faire, une voie de recherche envisagée fait intervenir des « skyrmions ». Des physiciens viennent de trouver comment les produire facilement à température ambiante dans des matériaux magnétiques.

Exemple de skyrmions émergeant dans un réseau d'atomes magnétiques en deux dimensions plongés dans un champ magnétique. Comme des petits aimants, leur orientation magnétique est donnée par les flèches (en bleu et jaune). Les sortes de tourbillons locaux sont formés par des solitons. Ils sont dits topologiques parce qu'il est impossible de transformer par déformation continue une distribution de flèches en une autre sans tourbillons, de la même manière qu'une sphère ne peut pas devenir ainsi un tore qui possède une discontinuité, un trou. © Technische Universitaet Muenchen (TUM)

Au cours de la seconde moitié du XIXe siècle, le célèbre physicien britannique Kelvin a eu une brillante idée en prenant connaissance des travaux de son collègue allemand Hermann Helmholtz. Ce dernier avait montré que des anneaux de fluide en rotation étaient assez stables et aussi qu'ils exerceraient les uns sur les autres des forces rappelant celles des champs magnétiques entre des fils parcourus par des courants électriques. Kelvin en déduira que les atomes étaient en fait des filaments de fluides en rotation autour d'un axe central formant différents nœuds, un pour chaque élément chimique. Le fluide porteur de ces filaments était interprété comme étant l'éther, le milieu matériel dont les contraintes et les ondes étaient censées être à l'origine du champ électromagnétique.

Bien qu'élégante et attractive, cette théorie unitaire fut un échec comme allaient le prouver les développements de la théorie quantique des atomes. Les physiciens ont cependant retenu l'idée que des structures stables discrètes, pouvant s'interpréter comme des particules, pouvaient émerger d'équations non linéaires, comme celles de Navier-Stokes, décrivant des champs continus.

Au cours du XXe siècle, comme expliqué dans un précédent article portant sur un cristal de skyrmions, le physicien britannique Tony Skyrme a tenté de jouer le même jeu que Kelvin pour expliquer l'existence et les propriétés de nucléons que sont les protons et les neutrons avec ce que l'on appelle des skyrmions. Il s'agissait à nouveau des structures stables liées à un moment cinétique de rotation dans un champ. Nouvel échec.

Un dispositif d'imagerie de domaines magnétiques par effet Kerr magnéto-optique a été utilisé pour réaliser cette image. On observe à gauche des bandes magnétisées dans un matériau magnétique et, à droite, des skyrmions sous forme de bulles. Pour plus de détails, voir les explications ci-dessous. © Wanjun Jiang, Argonne National Laboratory

Toutefois, les théoriciens se sont rendu compte que des équivalents des skyrmions pouvaient exister dans des milieux magnétiques. Ils les ont même trouvés il y a quelques années dans des milieux magnétiques considérés à deux dimensions. Cette fois, l'intérêt de la découverte ne se trouve pas vraiment du côté de la physique fondamentale mais plutôt dans ces applications technologiques potentielles.

En effet, dans un milieu magnétique, les atomes sont un peu comme des petits aimants portant des flèches orientées vers une direction. Un paquet d'atomes dont les flèches pointent dans une même direction forment alors une zone magnétisée. On peut donc se servir des milieux magnétiques pour porter des zones aimantées dans des directions opposées et selon des droites parallèles. Deux zones magnétisées dans ces directions portent ainsi des bits d'informations différentes : 0 et 1. On peut faire de même avec des skyrmions magnétiques, notamment en deux dimensions, où l'on peut les voir comme des tourbillons magnétiques tournant dans deux sens opposés. Ce qui est intéressant, c'est que ces skyrmions peuvent être obtenus avec de petits paquets d'atomes et donc permettre du stockage de données avec des mémoires magnétiques plus performantes que celles que l'on sait faire actuellement.

Des skyrmions sous forme de bulles magnétiques

Malheureusement, jusqu'à présent, les skyrmions magnétiques fabriqués en laboratoire n'existaient qu'à de très basses températures et il fallait utiliser la microscopie à effet tunnel polarisé en spin pour les manipuler. Clairement, il fallait autre chose pour qu'ils passent du statut de curiosité de laboratoire à celui de support d'une technologie massivement utilisée dans la vie de tous les jours.

Un verrou dans cette direction vient de sauter comme l'explique une équipe de physiciens états-uniens dans un article publié dans Science, disponible en accès libre sur arXiv.

En bleu foncé, une bande magnétisée dans un matériau magnétique que l'on étire. Les flèches bleu clair indiquent la direction de l'aimantation. Sur la droite, un skyrmion nouvellement formé, en forme de bulle magnétique. © Wanjun Jiang, Argonne National Laboratory

Les chercheurs sont en effet parvenus à faire apparaître des skyrmions à température ambiante et à les manipuler facilement avec de simples courants électriques. Pour cela, ils ont commencé par fabriquer un filament avec une sorte de goulot d'étranglement où une couche d'un matériau magnétique est prise en sandwich entre une couche de tantale et une couche d'oxyde de tantale. Des structures magnétisées en forme de bandes peuvent se former dans le matériau magnétique et, comme le montre la photo ci-dessus, ces structures se déforment sous l'action des courants électriques. Au final, le dispositif mis au point souffle des bulles de skyrmions, un peu comme se formeraient des bulles de savons.

La technique semble prometteuse. En effet, en ce qui concerne les matériaux utilisés pour les expériences, l'un de ses découvreurs, Axel Hoffmann, de l'Argonne National Laboratory, explique : « Ce ne sont pas des matériaux exotiques : ils sont déjà largement utilisés dans l'industrie ». Et le physicien d'ajouter que « les courants électriques nécessaires pour déplacer les skyrmions sont beaucoup plus faibles que ceux utilisés par exemple avec les mémoires racetrack [un type de mémoire informatique non volatile actuellement en cours de développement par IBM, NDLR] ». Sa collègue, Suzanne G. E. te Velthuis, précise en outre : « Avec ce système, nous pouvons explorer bon nombre des idées théoriques sur la physique de skyrmions qui ont été proposées au cours de ces dernières années ».

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