Deux méthodes pour les créer et guider leur mouvement

Les skyrmions magnétiques sont des tourbillons d’aimantation extrêmement petits et stables, souvent appelés « quasi-particules topologiques » puisqu’une stabilité émergente englobe cet ensemble de spins. Ainsi, les skyrmions peuvent être manipulés tout en conservant leur forme. Dans les films minces ferromagnétiques, ils peuvent facilement être créés avec une impulsion de courant électrique ou, encore plus rapidement, avec une impulsion laser, bien que, jusqu’à présent, uniquement à des positions aléatoires dans le matériau. Les skyrmions sont scientifiquement intéressants de deux points de vue : d’une part, les skyrmions magnétiques sont envisagés comme supports d’informations dans les futures technologies de l’information. D’autre part, les skyrmions dans des films magnétiques minces peuvent servir de banc d’essai idéal pour étudier la dynamique de quasi-particules magnétiques topologiquement non triviales.

Cependant, pour progresser dans ce domaine, une génération fiable du skyrmion magnétique à des positions contrôlées est nécessaire. Une équipe de chercheurs, dirigée par l’Institut Max Born, a maintenant atteint un contrôle complet à l’échelle nanométrique de la génération de skyrmions par deux approches indépendantes utilisant l’irradiation aux ions He+ ou l’utilisation de masques réfléchissants à l’arrière.

Ces dernières années, de grands progrès ont été signalés dans la génération, l’annihilation et le déplacement de skyrmions magnétiques dans des couches minces magnétiques. Un outil de choix pour étudier ces textures magnétiques à l’échelle du nanomètre au micromètre consiste à les imager directement, soit avec de la lumière visible, soit avec des rayons X. Si nous voulons étudier les propriétés dynamiques ainsi que les caractéristiques spatiales, nous devons enregistrer un film composé de plusieurs images. Cependant, enregistrer directement un film skyrmion sur les échelles de temps pertinentes de nano- ou même picosecondes n’est guère possible – le temps d’acquisition requis pour une seule image est généralement trop long.

Ce problème est généralement résolu en utilisant des mesures stroboscopiques répétitives – appelées «expériences pompe-sonde» – où le même processus est répété encore et encore tout en étant imagé. Pour permettre de telles mesures résolues dans le temps, la dynamique du skyrmion magnétique doit être contrôlable et déterministe. Une équipe de chercheurs dirigée par l’Institut Max Born a maintenant établi deux méthodes pour créer de manière fiable des skyrmions aux positions souhaitées et pour guider leur mouvement – étapes essentielles vers l’enregistrement de vidéos de skymions en mouvement.

Une première méthode repose sur l’irradiation du film magnétique hébergeant les skyrmions avec un faisceau focalisé d’hélium-ion pour créer de manière flexible des motifs de différentes formes et tailles dans le matériau magnétique. Il est important de noter que cette modification locale avec des ions très légers n’affecte que les propriétés magnétiques du matériau tandis que le film reste structurellement intact. En utilisant des ions d’hélium, il est possible de prédéfinir des positions où les skyrmions apparaissent après avoir déclenché leur création avec une courte impulsion de courant électrique ou de lumière laser (voir Fig. 1, où les skyrmions sont nucléés en deux rangées de points isolés).

En particulier, la modification magnétique s’avère suffisamment douce pour même permettre un détachement contrôlé du skyrmion de son site de génération et son mouvement ultérieur sans entrave. De plus, en combinant un tel site de création de skyrmion avec un canal de guidage, l’équipe a pu montrer le mouvement continu d’un skyrmion magnétique entraîné par des impulsions de courant électrique sur des dizaines de micromètres d’avant en arrière dans la soi-disant piste de course magnétique, supprimant complètement tout indésirable. mouvement latéral, qui est intrinsèque aux skyrmions entraînés par le courant.

Dans une deuxième approche pour prédéfinir les sites de nucléation des skymions, les chercheurs ont conçu des masques réfléchissants à nano-motifs à l’arrière du matériau magnétique. Ces masques permettent de contrôler les amplitudes d’excitation atteintes lors de la frappe du film magnétique avec un laser, ce qui se traduit par une précision à l’échelle nanométrique sur la distribution spatiale des skyrmions magnétiques créés (voir Fig. 1, où les skyrmions sont nucléés sur une grille carrée).

Comme les masques sont préparés sur la face arrière du film magnétique opposée à la surface éclairée par laser, l’approche conserve un accès frontal libre au film magnétique pour, par exemple, la détection des skyrmions. L’application de cette approche de masque arrière avec son accès sans entrave au film magnétique peut facilement être transférée à d’autres phénomènes de commutation photo-induits afin d’ajouter un contrôle nanométrique sur les zones commutées.

Les résultats de ces études, publiés dans Nano-lettres et Examen physique B, peuvent également avoir un impact sur la recherche sur de nouveaux concepts informatiques et de stockage de données. Au cours des dernières décennies, nous avons observé une demande de densités de stockage de données toujours croissantes et de capacités de calcul efficaces, évoquant un énorme intérêt industriel pour l’exploration des effets magnétiques qui sont actifs à des échelles ultrarapides et ultrapetites pour des applications technologiques. Un candidat possible comme support d’informations de nouvelle génération est le skyrmion magnétique. Avec le niveau de contrôle atteint pour la génération et le mouvement des skyrmions et le potentiel de miniaturisation encore plus poussée, la technologie pourrait finalement ouvrir la voie à d’éventuels futurs dispositifs, tels que les mémoires de piste de course skyrmion, les registres à décalage et les portes logiques skyrmion.

Fourni par Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)