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Skyrmions de spin et de vallée dans le graphène – une zoologie riche


De même que les skyrmions ont récemment été mis en évidence dans des films magnétiques, on s’attend également à leur apparition dans des systèmes électroniques bidimensionnels soumis à un fort champ magnétique. Des théoriciens du LPS viennent de prédire une manifestation nouvelle dans le graphène, où des skyrmions peuvent être formés non seulement à l’aide du spin électronique mais aussi d’un « pseudospin de vallée ».

Les skyrmions apparaissent comme des textures complexes dans des films ferromagnétiques. On peut se les représenter comme un retournement de spin à un certain endroit, le cœur, par rapport à l’aimantation globale tout en entraînant les spins dans son entourage, comme indiqué sur la figure 1. Ici, l’aimantation globale pointe vers le haut, tandis que le spin au cœur du skyrmion pointe vers le bas. Or, à une certaine distance du cœur du skyrmion, les spins sont tous orientés dans une direction du plan. Si l’on ne considère que ces spins orientés dans le plan, on s’aperçoit qu’ils se trouvent sur un chemin fermé qui entoure le cœur et qu’ils font un tour complet sur ce chemin (voir figure 1). Tel un ruban de Moebius, la texture globale ne peut ainsi être déformée continûment vers un ferromagnétique homogène, et on parle d’un objet topologique.

Skyrmion Skyrmions. Alors que l’aimantation globale pointe vers le haut, le spin au cœur de la texture pointe vers le bas, tout en entraînant ses voisins. Quand on ne regarde que les spins dont l’orientation est dans le plan, on s’aperçoit qu’ils font un tour complet sur un chemin fermé autour du cœur. (© CC BY-SA 3.0 K. Everschor-Sitte and M. Sitte)

Au-delà des films magnétiques, des théoriciens du LPS, en collaboration avec A. Rosch de l’Université de Cologne en Allemagne, ont examiné leur manifestation dans un système moins habituel : des électrons dans le graphène soumis à un fort champ magnétique. Sous certaines conditions, les spins de ces électrons s’orientent également de manière spontanée pour former un ferromagnétique ainsi que des skyrmions. Contrairement aux films magnétiques, les électrons du graphène portent un deuxième type de spin, un pseudospin de vallée, qui lui-même a aussi tendance à s’orienter comme le vrai spin qui donne lieu à l’aimantation du ferromagnétique. Dans une publication dans PRL, les chercheurs du LPS ont montré que des skyrmions peuvent également être formés en faisant appel à ce pseudospin, ou, de manière plus exotique, en utilisant à la fois le vrai spin et le pseudospin qui peuvent éventuellement être intriqués. Ceci donne lieu à toute une zoologie de skyrmions.

Cette classification théorique mise à part, il faut se demander comment on peut visualiser ces skyrmions exotiques. Alors qu’il semble naturel de sonder un skyrmion de spin par une mesure de son aimantation locale, cela semble moins évident pour un skyrmion de pseudospin. C’est là que les propriétés remarquables du graphène entrent en jeu : il suffit simplement de regarder l’occupation électronique des deux sous-réseaux triangulaires qui forment le graphène. Si le pseudospin pointe vers le haut, c’est le premier sous-réseau qui est occupé ; s’il pointe vers le bas, c’est l’autre, comme il est montré sur la figure 2. Il suffit ainsi de mesurer à l’échelle atomique la densité de charge et de spin afin de mettre en évidence les différents types de skyrmions étudiés théoriquement, ce qui peut se faire à l’aide d’un microscope à effet tunnel résolu en spin. Stimulé par ces travaux, ce genre d’expériences est actuellement envisagé à l’Université d’Aix-la-Chapelle en Allemagne.

Visualisation d’un « skyrmion de pseudospin » dans une image à résolution atomique. La couleur indique la densité de charge (gauche) et de spin (droite) sur chacun des sites. Alors que seul un sous-réseau triangulaire est occupé loin du cœur de la texture (voir figure insérée à gauche, où les sites occupés forment une sorte de « Y » inversé), c’est l’autre sous-réseau qui est occupé dans le cœur du skyrmion (figure insérée à droite, les sites occupés forment ici un « Y »), au centre de chaque image.

Référence :

SU(4) Skyrmions in the ν = ±1 Quantum Hall State of Graphene
Y. Lian, A. Rosch and M. O. Goerbig
Physical Review Letters 117, 056806 (2016)
doi:10.1103/PhysRevLett.117.056806

Contact :

Mark Goerbig