Des scientifiques découvrent un nouveau phénomène physique : des structures tressées complexes faites de skyrmions

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Des scientifiques découvrent un nouveau phénomène physique : des structures tressées complexes faites de skyrmions
Tresses Skyrmion

Des chercheurs de Jülich ont détecté des structures en forme de cordes constituées de skyrmions. Ci-dessus, des modèles simulés de six skyrmions à différentes intensités de champ magnétique ; ci-dessous, des images au microscope électronique à transmission de telles structures observées dans un film mince. Crédit : Forschungszentrum Jülich

Une équipe de scientifiques d’Allemagne, de Suède et de Chine a découvert un nouveau phénomène physique : des structures tressées complexes constituées de minuscules vortex magnétiques appelés skyrmions. Les skyrmions ont été détectés expérimentalement pour la première fois il y a un peu plus d’une décennie et ont depuis fait l’objet de nombreuses études, en plus de fournir une base possible pour des concepts innovants de traitement de l’information offrant de meilleures performances et une consommation d’énergie moindre. De plus, les skyrmions influencent les propriétés magnétorésistives et thermodynamiques d’un matériau. La découverte est donc pertinente à la fois pour la recherche appliquée et la recherche fondamentale.

Des ficelles, des fils et des structures tressées peuvent être vus partout dans la vie quotidienne, des lacets aux pulls en laine, des tresses dans les cheveux d’un enfant aux câbles d’acier tressés qui servent à soutenir d’innombrables ponts. Ces structures sont également couramment observées dans la nature et peuvent, par exemple, conférer aux fibres végétales une résistance à la traction ou à la flexion. Des physiciens du Forschungszentrum Jülich, en collaboration avec des collègues de Stockholm et de Hefei, ont découvert que de telles structures existent à l’échelle nanométrique dans les alliages de fer et de germanium métalloïde.

Ces nanocordes sont constituées chacune de plusieurs skyrmions plus ou moins tordus entre eux, un peu comme les brins d’une corde. Chaque skyrmion lui-même se compose de moments magnétiques qui pointent dans différentes directions et prennent ensemble la forme d’un minuscule vortex allongé. Un brin skyrmion individuel a un diamètre inférieur à un micromètre. La longueur des structures magnétiques n’est limitée que par l’épaisseur de l’échantillon ; ils s’étendent d’une surface de l’échantillon à la surface opposée.

Des études antérieures menées par d’autres scientifiques avaient montré que ces filaments sont en grande partie linéaires et presque en forme de tige. Cependant, les investigations microscopiques à ultra-haute résolution entreprises au Ernst Ruska-Centre de Jülich et les études théoriques à l’Institut Peter Grünberg de Jülich ont révélé une image plus variée : les fils peuvent en fait se tordre ensemble à des degrés divers. Selon les chercheurs, ces formes complexes stabilisent les structures magnétiques, ce qui les rend particulièrement intéressantes pour une utilisation dans une gamme d’applications.

« Les mathématiques contiennent une grande variété de ces structures. Maintenant, nous savons que ces connaissances théoriques peuvent être traduites en phénomènes physiques réels », se réjouit le physicien de Jülich, le Dr Nikolai Kiselev. « Ces types de structures à l’intérieur des solides magnétiques suggèrent des propriétés électriques et magnétiques uniques. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour le vérifier. »

Pour expliquer le décalage entre ces études et les précédentes, le chercheur précise que les analyses au microscope électronique à ultra-haute résolution ne fournissent pas simplement une image de l’échantillon, comme dans le cas par exemple d’un microscope optique. En effet, des phénomènes de mécanique quantique entrent en jeu lorsque les électrons de haute énergie interagissent avec ceux de l’échantillon.

« Il est tout à fait possible que d’autres chercheurs aient également vu ces structures au microscope, mais aient été incapables de les interpréter. En effet, il n’est pas possible de déterminer directement la répartition des directions d’aimantation dans l’échantillon à partir des données obtenues. Au lieu de cela, il est nécessaire de créer un modèle théorique de l’échantillon et de générer une sorte d’image au microscope électronique à partir de celui-ci », explique Kiselev. « Si les images théoriques et expérimentales correspondent, on peut conclure que le modèle est capable de représenter la réalité. » Dans les analyses à ultra-haute résolution de ce type, le Forschungszentrum Jülich avec son Ernst Ruska-Centre compte parmi les principales institutions au monde.

Référence : « tresses skyrmion magnétiques » par Fengshan Zheng, Filipp N. Rybakov, Nikolai S. Kiselev, Dongsheng Song, András Kovács, Haifeng Du, Stefan Blügel et Rafal E. Dunin-Borkowski, 7 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25389-7

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