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Les skyrmions, miniaturisation ultime des mémoires magnétiques


Des physiciens viennent de montrer comment créer des skyrmions, des bulles magnétiques de taille nanométrique et comment il est possible de les déplacer le long de nanopistes magnétiques.

Les skyrmions, prédits par la théorie il y a une vingtaine d’années, sont des structures magnétiques de taille nanométrique. Ils suscitent un intérêt considérable pour augmenter jusqu’à sa limite ultime la densité de stockage de l’information magnétique. Encore faut-il pour cela maitriser leur production et savoir les contrôler. C’est la réponse à ces questions qu’apporte un travail théorique fruit d’une collaboration entre des physiciens de l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès et du Laboratoire de physique des solides d’Orsay - LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud) en analysant la nucléation, la stabilité et les mouvements induits par le courant electrique de skyrmions magnétiques isolés dans des nanostructures. Ce travail est publié dans la revue Nature Nanotechnology.

Ces configurations sont des enroulements de spin qui ont aussi la propriété d’être « topologiquement protégées » : comme un noeud au milieu d’une corde dont les extrémités sont attachées, ils peuvent être déplacés, mais ne peuvent être dénoués. Ces entités magnétiques sont particulièrement intéressantes pour le stockage de l’information. Ils sont peut-être les bits magnétiques ultimes de futurs dispositifs de stockage et de traitement d’information. L’existence de configurations de spin de type skyrmion avait été prédite par la théorie il y a une vingtaine d’années, mais c’est seulement en 2009 et 2010 que des réseaux de skyrmions ont été observés par une équipe allemande dans des cristaux de MnSi et une équipe japonaise dans FeCoSi. En 2011 de tels réseaux ont aussi été mis en évidence dans une couche monoatomique de Fer déposée sur un cristal d’Iridium. Pour l’étude actuelle, les physiciens ont procédé à des simulations micromagntétiques afin de déterminer les conditions de stabilité de skyrmions isolés ou de groupes de skyrmions dans des films magnétiques. Ils ont montré qu’un fort courant de spin permet de nucléer localement des skyrmions à volonté. Il est alors possible de déplacer de manière efficace des skyrmions isolés ou des chaines de skyrmions le long de nanopistes par un courant électrique et les détecter par un effet magnétorésistif. Ces résultats proposent une nouvelle voie dans laquelle on peut maintenant s’engager pour l’utilisation des skyrmions dans des dispositifs novateurs de stockage ou de traitement de l’information.


Déplacement de trains de 5 skyrmions induit par un courant polarisé en spin dans une nanopiste composée d’une couche de 0.4 nm de Co déposée sur Pt. Sur la figure, nous présentons une vue de dessus à deux temps différents (T=0 ns, début de l’impulsion de courant, en haut et après 1 ns en bas). Le code couleur correspond à composante mz de l’aimantation (rouge = aimantation pointant hors du plan vers la haut). Un résultat important est que non seulement les skyrmions (en bleu) peuvent être déplacés par un effet de transfert de spin (associé à de l’effet Hall de spin) mais qu’en plus la distance entre les skyrmions est préservée lors du déplacement.


Version 3D de la figure ci-dessus.

Référence :

Nucleation, stability and current-induced motion of isolated magnetic skyrmions in nanostructures
J. Sampaio, V. Cros, DS. Rohart, A. Thiaville, A. Fert, Nature Nanotechnology (8, 839 (2013). doi:10.1038/nnano.2013.233)

Contacts :

- Vincent Cros, chercheur CNRS dans l’Unité mixte de physique CNRS/Thalès
- André Thiaville (andre.thiaville@u-psud.fr)