Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec leurs collègues en France, ont découvert une nouvelle méthode pour générer des ondes de spin à l'aide de particules nanométriques connues sous le nom de skyrmions dans un matériau ferromagnétique. Leur découverte, récemment publiée dans la revue APL Materials, ouvrent la voie vers de nouvelles possibilités prometteuses dans les technologies de l'information.
Les skyrmions, des états magnétiques en forme de tourbillon, mesurant de quelques dizaines à plusieurs centaines de nanomètres, suscitent un intérêt croissant dans le domaine de la nanotechnologie. Leur structure ressemble à des nœuds compacts et leur potentiel en tant que vecteurs pour le stockage de données est considérable. Ils réagissent à des forces externes, comme les courants électriques, et se déplacent de manière similaire à des particules.
Outre ce comportement corpusculaire, les skyrmions ont la capacité de tourner comme des toupies et de vibrer comme des cordes de guitare - un processus observé à des fréquences dans la gamme des gigahertz et au-delà. Ces modes de « gyration » et de « respiration » deviennent particulièrement prononcés lorsque les skyrmions forment des réseaux denses, permettant de détecter leurs vibrations à travers des expériences comme la résonance ferromagnétique.
Une collaboration entre le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS, Univ. Paris-Saclay, Univ. Paris Cité), le Service de Physique de l’État Condensé (CEA, CNRS, Univ. Paris-Saclay), et l'Unité Mixte de Physique (CNRS, Thales, Univ. Paris-Saclay), a apporté un nouvel éclairage sur ces structures fascinantes. Les chercheurs ont démontré que sous certaines conditions, les skyrmions dans des multicouches magnétiques peuvent émettre des ondes de spin, des ondulations d’un état magnétique qui sont activement explorées pour une utilisation dans la transmission et le traitement des données.
L'équipe a découvert que des empilements successifs des couches de films ferromagnétiques riches en fer d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre avec du platine et de l'oxyde d'aluminium provoque la formation de skyrmions dont les « cœurs » ressemblant à des pilules tridimensionnelles, contrairement aux formes cylindriques observées dans les systèmes bidimensionnels. De façon remarquable, ces cœurs résonnent en phase lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques radiofréquences, générant des ondes de spin qui se propagent dans l’état ferromagnétique environnant, à l'instar de l'effet de plonger périodiquement une collection de bouées dans un corps d'eau. Des simulations suggèrent que ces ondulations peuvent avoir des longueurs d'onde aussi faibles que 50 nm, illustrant le potentiel des skyrmions à convertir des ondes radiofréquences uniformes en excitations nanométriques.
Cette recherche innovatrice offre de nouvelles perspectives pour l'étude des ondes de spin à l'échelle nanométrique, généralement difficile à réaliser dans des conditions ambiantes au laboratoire. Les chercheurs sont optimistes que ces skyrmions pourraient servir de transducteurs d'ondes efficaces dans les circuits magnoniques, établissant ainsi un lien entre le monde macroscopique et le monde nanométrique.
Reference
Resonant dynamics of three-dimensional skyrmionic textures in thin film multilayers Editor’s Pick
Titiksha Srivastava1, Yanis Sassi1, Fernando Ajejas1, Aymeric Vecchiola1, Igor Ngouagnia Yemeli2, Hervé Hurdequint2, Karim Bouzehouane1, Nicolas Reyren1, Vincent Cros1, Thibaut Devolder2, Joo-Von Kim2, Grégoire de Loubens1
APL Mater 11, 061110 (2023)
https://doi.org/10.1063/5.0150265
Affiliations
1Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay, 91767 Palaiseau, France
2SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 91120 Palaiseau, France
Contact : Joo-Von Kim
