Créés par les spins des électrons dans les matériaux magnétiques, ces minuscules tourbillons se comportent comme des particules indépendantes et pourraient être l’avenir de l’informatique. Les expériences avec le laser à rayons X du SLAC révèlent leurs secrets.
Les scientifiques savent depuis longtemps que le magnétisme est créé par les spins des électrons qui s’alignent d’une certaine manière. Mais il y a environ une décennie, ils ont découvert une autre couche de complexité étonnante dans les matériaux magnétiques : dans les bonnes conditions, ces spins peuvent former de petits vortex ou tourbillons qui agissent comme des particules et se déplacent indépendamment des atomes qui les ont engendrés.
Les minuscules tourbillons sont appelés skyrmions, du nom de Tony Skyrme, le physicien britannique qui a prédit leur existence en 1962. Leur petite taille et leur nature robuste – comme des nœuds difficiles à défaire – ont donné naissance à un domaine en pleine expansion consacré à mieux les comprendre. et en exploitant leurs étranges qualités.
“Ces objets représentent certaines des formes d’ordre magnétique les plus sophistiquées que nous connaissions”, a déclaré Josh Turner, chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie et chercheur principal au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). au SLAC.
« Quand les skyrmions se forment », a-t-il dit, « cela se produit d’un seul coup, dans tout le matériau. Ce qui est encore plus intéressant, c’est que les skyrmions se déplacent comme s’il s’agissait de particules individuelles et indépendantes. C’est comme une danse où tous les spins communiquent les uns avec les autres et se déplacent à l’unisson pour contrôler le mouvement des skyrmions, et pendant ce temps les atomes dans le réseau en dessous d’eux restent assis là.
Parce qu’ils sont si stables et si petits – environ 1 000 fois la taille d’un atome – et sont facilement déplacés en appliquant de petits courants électriques, a-t-il déclaré, « il existe de nombreuses idées sur la façon de les exploiter pour de nouveaux types de technologies de calcul et de stockage de mémoire qui sont plus petites et utilisent moins d’énergie.
Le plus intéressant pour Turner, cependant, est la physique fondamentale derrière la formation et le comportement des skyrmions. Lui et ses collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE et de l’Université de Californie à San Diego ont développé des méthodes pour capturer les activités des skyrmions dans leur état naturel et non perturbé avec des détails sans précédent à l’aide du laser à rayons X à électrons libres du SLAC, le Linac Coherent Light Source (LCLS). Il leur permet de mesurer des détails à l’échelle nanométrique – aussi petits que des millionièmes de pouce – et d’observer les changements qui se produisent en milliardièmes de seconde.
Dans une série d’articles récents, ils décrivent des expériences qui suggèrent que les skyrmions peuvent former une phase semblable à du verre où leurs mouvements sont si lents qu’ils ont l’air d’être coincés, comme des voitures dans un embouteillage. De plus, ils ont mesuré comment le mouvement naturel des skyrmions les uns par rapport aux autres peut osciller et changer en réponse à un champ magnétique appliqué, et ont découvert que ce mouvement inhérent ne semble jamais s’arrêter complètement. Cette fluctuation omniprésente, a déclaré Turner, indique que les skyrmions peuvent avoir beaucoup en commun avec les supraconducteurs à haute température – des matériaux quantiques dont la capacité à conduire l’électricité sans perte à des températures relativement élevées peut être liée à des bandes fluctuantes de spin et de charge des électrons.
En haut : Des images basées sur des simulations montrent comment trois phases de la matière, dont les skyrmions – de minuscules tourbillons créés par les spins des électrons – peuvent se former dans certains matériaux magnétiques. Ce sont des bandes de spin électronique (à gauche); treillis hexagonaux (à droite); et une phase intermédiaire (centre) qui est un mélange des deux. Dans cet état intermédiaire, semblable à du verre, les skyrmions se déplacent très lentement, comme des voitures dans un embouteillage – l’une des nombreuses découvertes faites dans des études récentes par des scientifiques du SLAC, de Stanford, de Berkeley Lab et de l’UC San Diego. En bas : motifs formés dans un détecteur au cours d’expériences qui ont exploré les principes fondamentaux du comportement des skyrmions au laser à électrons libres à rayons X de la source de lumière cohérente Linac du SLAC. Crédit : Esposito et al., Lettres de physique appliquée, 2020
L’équipe de recherche a pu observer les fluctuations du skyrmion dans un film magnétique mince composé de nombreuses couches alternées de fer et de gadolinium en prenant des instantanés avec le faisceau laser à rayons X LCLS à seulement 350 billions de seconde d’intervalle. Ils disent que leur méthode peut être utilisée pour étudier la physique d’un large éventail de matériaux, ainsi que leur topologie – un concept mathématique qui décrit comment la forme d’un objet peut se déformer sans changer fondamentalement ses propriétés. Dans le cas des skyrmions, la topologie est ce qui leur donne leur nature robuste, ce qui les rend difficiles à annihiler.
“Je pense que cette technique va se développer et devenir très puissante en physique de la matière condensée, car il n’y a pas beaucoup de moyens directs de mesurer ces fluctuations au fil du temps”, a déclaré Sujoy Roy, scientifique à l’Advanced Light Source de Berkeley Lab. « Il existe un grand nombre d’études qui peuvent être menées sur des éléments tels que les supraconducteurs, les oxydes complexes et les interfaces magnétiques. »
Sergio Montoya, un scientifique du Center for Memory and Recording Research de l’UC San Diego qui a conçu et fabriqué le matériel utilisé dans cette étude, a ajouté : « Ce type d’information est important lorsque vous développez de l’électronique à grande échelle et devez voir comment ils se comporter dans tout le matériel, pas seulement dans un petit endroit.
Instantanés rapides des changements à l’échelle atomique
Montoya a commencé à étudier le film fer-gadolinium vers 2013. À l’époque, on savait déjà que des réseaux de skyrmions pouvaient se former lorsque des champs magnétiques étaient appliqués à certains aimants, et il y avait de gros efforts de recherche pour découvrir de nouveaux matériaux capables d’héberger des skyrmions à température ambiante. . Montoya a soigneusement conçu les matériaux en couches, ajustant les conditions de croissance pour ajuster les propriétés du réseau skyrmion – “la conception et l’adaptation du matériau jouent un rôle énorme dans des études comme celles-ci”, a-t-il déclaré – et s’est associé à Roy pour les examiner avec Rayons X de la source lumineuse avancée.
Pendant ce temps, Turner et son équipe de LCLS développaient un nouvel outil qui ressemble à un appareil photo pour prendre des instantanés de fluctuations à l’échelle atomique à des vitesses d’obturation extrêmement rapides. Deux impulsions laser à rayons X, chacune d’une durée d’à peine un millionième de milliardième de seconde, ont frappé un échantillon à des millionièmes à des milliardièmes de seconde d’intervalle. Les rayons X pénètrent dans un détecteur et forment des « motifs de chatoiement », chacun aussi unique qu’une empreinte digitale, qui révèlent des changements subtils dans la structure complexe du matériau.
« Nous utilisons des impulsions de rayons X doux à très faible intensité qui ne perturbent pas l’échantillon », a expliqué Matt Seaberg, scientifique du LCLS. “Cela nous permet d’obtenir deux instantanés qui révèlent les fluctuations intrinsèques du matériau et comment elles changent dans le très court laps de temps qui les sépare.”
Les skyrmions (en haut et en bas à gauche) sont de petits vortex ou tourbillons créés par les spins des électrons lorsque des champs magnétiques sont appliqués à certains matériaux magnétiques. Les skyrmions peuvent former des motifs de réseau réguliers (en haut à droite) qui correspondent au motif du réseau atomique qui les a engendrés, bien qu’ils soient environ 100 fois plus grands. Ils peuvent également se déplacer indépendamment pour former différents motifs (en bas à droite), y compris des bandes alternées de spin électronique et des phases désordonnées ressemblant à du verre. Dans une série d’études récentes, des scientifiques du SLAC, de Stanford, du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’UC San Diego ont utilisé un laser à rayons X pour découvrir de nouveaux aspects du comportement des skyrmions. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory, basé sur des simulations numériques de Sergio Montoya/UC San Diego
Il n’a pas fallu longtemps pour que les équipes du LCLS, du Berkeley Lab et de l’UC San Diego joignent leurs forces pour diriger ce nouvel outil vers skyrmions.
Comme l’a dit Turner, « Imaginez vous procurer un télescope et choisir où le pointer en premier. Les Skyrmions semblaient être un bon choix – des structures magnétiques exotiques avec de nombreuses inconnues sur leur comportement.
Des outils plus puissants à venir
Sur la base de ce qu’ils ont vu dans ces expériences, “Nous pensons que c’est essentiellement l’interaction entre les skyrmions adjacents qui pourrait être à l’origine de leurs oscillations intrinsèques”, a déclaré Seaberg. « Nous essayons toujours de comprendre cela. Il est difficile de voir exactement ce qui oscille à partir du type de mesures que nous avons effectuées. Nous avons eu beaucoup de discussions sur la façon dont nous pourrions comprendre ce qui se passe et ce que signifient réellement les signaux que nous avons mesurés. »
L’instrument spécialisé qu’ils ont construit pour ces expériences a depuis été démonté pour faire place à d’autres choses. Mais il sera remonté dans le cadre d’une nouvelle station expérimentale qui fait partie d’un grand Mise à niveau LCLS – un endroit idéal, a déclaré l’équipe, pour poursuivre cette nouvelle classe d’expériences sur les fluctuations de matériaux comme les supraconducteurs, ainsi qu’un voyage scientifique fructueux et collaboratif que Montoya décrit comme une « balade joyeuse ».
Turner a déclaré : « C’est remarquable à quel point nous en apprenons sur ces types d’objets magnétiques avec les capacités spéciales dont nous disposons au LCLS. Ce projet a été très amusant. En travaillant avec une si grande équipe et avec tant de choses à essayer, il y a littéralement un trésor d’informations à découvrir. »
LCLS et ALS sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science, et le financement principal de cette recherche provient de l’Office of Science, y compris un prix du programme de recherche en début de carrière. à Josh Turner.
Les références:
« Fluctuations du skyrmion à une frontière de transition de phase de premier ordre » par V. Esposito, XY Zheng, MH Seaberg, SA Montoya, B. Holladay, AH Reid, R. Streubel, JCT Lee, L. Shen, JD Koralek, G. Coslovich , P. Walter, S. Zohar, V. Thampy, MF Lin, P. Hart, K. Nakahara, P. Fischer, W. Colocho, A. Lutman, F.-J. Decker, SK Sinha, EE Fullerton, SD Kevan, S. Roy, M. Dunne et JJ Turner, 4 mai 2020, Lettres de physique appliquée.
DOI : 10.1063/5.0004879
“A snapshot review—Fluctuations in quantum material: from skyrmions to supraconductivity” par L. Shen, M. Seaberg, E. Blackburn et JJ Turner, 14 avril 2021, Avances MRS.
DOI : 10.1557 / s43580-021-00051-y
«Spontaneous fluctuations in amagnetic Fe/Gd skyrmion lattice» par Matthew Seaberg et al., 15 septembre 2021, Examen physique de la recherche.
DOI : 10.1103 / PhysRevResearch.3.033249
« Absolute contraste estimation for soft X-ray photon fluctuation spectroscopy using a variational droplet model » par NG Burdet, V. Esposito, MH Seaberg, CH Yoon et JJ Turner, 30 septembre 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038 / s41598-021-98774-3
