Les scientifiques capturent la fusion en temps réel des réseaux Skyrmion 2D à l’aide de champs magnétiques

Qu’est-ce qui se produit pendant le processus de fusion dans les systèmes bidimensionnels au niveau microscopique? Des chercheurs de l’Université de Johannes Gutenberg Maypied (JGU) ont exploré ce phénomène dans de fines couches magnétiques.

“En utilisant Skyrmions, c’est-à-dire des tourbillons magnétiques miniatures, nous avons pu observer directement, pour la première fois, la transition d’une structure de réseau ordonnée à deux dimensions en un état désordonné au niveau microscopique en temps réel”, a expliqué Raphael Gruber, qui a mené la recherche dans le groupe de travail du professeur Mathias Kläui à l’institut JGU.

Les résultats, publiés dans Nanotechnologie de la naturesont fondamentaux pour une compréhension plus profonde des processus de fusion en deux dimensions et le comportement des skyrmions, qui pourraient révolutionner les technologies de stockage futures.

Maisse en deux étapes des réseaux skyrmion

Bien que le concept de glace fondant dans l’eau soit familier à la plupart d’un point de vue macroscopique, les aspects microscopiques des processus de fusion restent étonnamment mal compris.

“Cette transition de phase est particulièrement intrigante dans les systèmes bidimensionnels, où des phénomènes distincts émergent, différant de ceux observés en homologues tridimensionnels”, a expliqué Gruber.

Initialement, les chercheurs ont généré des skyrmions, qui sont des structures de vortex magnétiques analogues aux ouragans microscopiques, en calibrant avec précision la température et les champs magnétiques. En raison de leur stabilité remarquable, les skyrmions peuvent être considérés comme des entités individuelles. Lorsqu’ils sont densément emballés, ces tourbillons magnétiques s’auto-organisent en une structure de réseau ordinaire.

“Notre principale question était: que se passe-t-il lorsque nous retournons cet état ordonné à un état désordonné – en effet, lorsque nous faisons fondre le système?” dit Gruber.

En utilisant un microscope Kerr magnéto-optique, les chercheurs ont observé ce processus en temps réel pour la première fois. Contrairement aux structures de réseau tridimensionnelles, telles que la glace, le réseau skyrmion bidimensionnel fond dans un processus distinctif en deux étapes. Au cours de l’étape initiale, l’ordre de translation est perdu, avec des skyrmions individuels restant dans un réseau, mais présentant des distances irrégulières à leurs voisins les plus proches. Ce n’est que dans l’étape suivante que l’orientation est également compromise, culminant dans la dissolution complète du réseau – un processus de fusion.

“L’élucidation de cette transition de fusion a été grandement facilitée par notre collaboration avec des collègues du Center for Quantum Spintronics de l’Université norvégienne des sciences et de la technologie”, a noté le professeur Mathias Kläui.

Maisse induite par le champ magnétique: une nouvelle approche

Un aspect distinctif de cette conception expérimentale réside dans la méthode utilisée pour induire la fusion. En règle générale, on augmenterait la température. Cependant, cette approche est sous-optimale dans ce contexte, car elle modifierait les conditions donnant naissance aux tourbillons magnétiques.

“Au lieu de cela, nous avons réduit la taille des skyrmions en modulant le champ magnétique. Cette approche a permis à la mobilité Skyrmions une plus grande mobilité dans le réseau, ce qui permet un mouvement”, a expliqué Gruber. “Cette stratégie, semblable à l’augmentation de la température, conduit à la structure du réseau progressivement désordonnée, entraînant finalement sa dissolution complète.”

Ces résultats ouvrent la voie à l’application potentielle de skyrmions dans les futures technologies de stockage de données, offrant une densité de données significativement améliorée, un accès à lecture / écriture rapide et une efficacité énergétique exceptionnelle.