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Skyrmions - la base d'une toute nouvelle architecture informatique ?
Un grand pas avec de petits tourbillons
Les skyrmions sont des objets magnétiques qui pourraient, selon les chercheurs du monde entier, être les nouvelles unités d'information pour le stockage des données et l'architecture des ordinateurs. Toutefois, avant de pouvoir les trouver dans des applications techniques, il reste un certain nombre d'obstacles à surmonter. Une équipe de chercheurs de l'Empa a réussi pour la première fois à réaliser un système multicouche complexe dans lequel deux skyrmions différents - les futurs bits pour "0" et "1" - peuvent exister à température ambiante, comme ils le rapportent maintenant dans la célèbre revue Nature Communications.
De nombreuses personnes peuvent encore être familiarisées avec les principes physiques simples du magnétisme grâce à des cours à l'école. Cependant, si nous regardons les conditions magnétiques au niveau atomique, nous arrivons rapidement à nos limites avec cette connaissance quotidienne des pôles nord et sud. À l'échelle nanométrique, les interactions magnétiques entre les atomes peuvent prendre des états merveilleux et, par exemple, former des tourbillons spéciaux, appelés skyrmions, à partir des moments magnétiques atomiques.
Ces skyrmions ont des propriétés très particulières et peuvent être générés dans certains systèmes de matériaux, par exemple une multicouche de différentes couches métalliques d'une épaisseur inférieure au nanomètre. La technologie informatique moderne prévoit que les skyrmions, qui ne font que quelques nanomètres, constituent un moyen extrêmement peu encombrant et ultra-rapide de stocker et de transformer des données. Ainsi, un concept de stockage de données avec des skyrmions pourrait être qu'un skyrmion reçoit la valeur "1" et que la valeur "0" est représentée par l'absence de celle-ci. Ce concept de stockage de données pourrait alors être mis en œuvre dans ce que l'on appelle "la mémoire racetrack" (voir Infobox). Cependant, il est indispensable que la distance entre le skyrmion pour la valeur "1" et l'écart de skyrmion pour la valeur "0", reste constante lors du déplacement pendant le transport des données, sinon cela provoquerait des erreurs.
Il serait donc préférable d'utiliser des skyrmions de forme différente pour représenter les deux valeurs. Les différents skyrmions pourraient être transportés comme des perles le long d'une chaîne, sans que les distances entre les perles ne jouent un rôle majeur. La coexistence de deux types différents de skyrmions (skyrmion et skyrmion bobber) n'a jusqu'à présent été prédite que théoriquement par les chercheurs pour certains systèmes de matériaux et n'a été démontrée expérimentalement que dans un matériau monocristallin spécialement "cultivé" et uniquement à des températures extrêmement basses. Ce matériel n'est donc pas adapté aux applications.
Expérience des systèmes ferromagnétiques multicouches et du microscope à force magnétique
Le groupe de recherche de Hans Josef Hug à l'Empa a maintenant réussi à résoudre le problème : "Nous avons produit un système multicouche composé de différentes couches ferromagnétiques, de métaux nobles et de terres rares d'une épaisseur sub-nanométrique, dans lequel deux états différents du skyrmion peuvent exister à température ambiante", explique Hans Josef Hug. Depuis un certain temps déjà, le groupe étudie les propriétés et l'influençabilité des skyrmions dans des systèmes multicouches ferromagnétiques ultrafins en utilisant le microscope à force magnétique spécialement développé à l'Empa. Dans cette recherche, ils ont produit un système des métaux iridium (Ir), fer (Fe), cobalt (Co), platine (Pt), et les métaux de terres rares terbium (Tb) et gadolinium (Gd).
Entre les deux multicouches ferromagnétiques qui génèrent les skyrmions - la combinaison de couches Ir/Fe/Co/Pt est superposée cinq fois - les chercheurs ont inséré une multicouche ferrimagnétique composée d'un alliage Tb/Gd et d'une couche de Co. La particularité de la couche ferrimagnétique est qu'elle ne peut pas générer de skyrmions à elle seule. Les deux multicouches extérieures, en revanche, génèrent une forte densité de skyrmions.
Les chercheurs ont ajusté le rapport de mélange des deux métaux Tb et Gd et les épaisseurs des couches de TbGd et Co dans la couche médiane afin que ses propriétés magnétiques puissent être influencées par les couches ferromagnétiques extérieures : Ces skyrmions "pressent" la couche ferrimagnétique moyenne. Ainsi, un système multicouche peut être produit dans lequel deux types différents de skyrmions existent.
Preuves expérimentales et théoriques
Les deux skyrmions de formes différentes se distinguent facilement l'un de l'autre avec le microscope à force magnétique grâce à leurs diamètres et intensités différentes. Le plus grand Skyrmion, qui génère également un champ magnétique plus fort, pénètre tout le système de couches, c'est-à-dire aussi la couche ferrimagnétique centrale, tandis que le plus faible ne la pénètre pas, et n'existe que dans les deux couches extérieures. C'est précisément là que réside la percée majeure en ce qui concerne son utilisation dans le traitement des données. En effet, si des données binaires définies – par 0 et 1 - doivent être stockées et lues, elles doivent pouvoir être clairement distinguées, ce qui serait possible ici grâce aux deux skyrmions de force différente.
Les différentes couches ont été comparées entre elles à l'aide d'un microscope à force magnétique. Cela a permis de déterminer dans quelles couches se trouvent les différents skyrmions. En plus, des simulations micromagnétiques sur ordinateur ont confirmé les résultats. Ces dernières ont été réalisées en collaboration avec des spécialistes des universités de Vienne et de Messine.
Un grand pas vers la faisabilité a été franchi, déclare Andrada-Oana Mandru, chercheuse à l'Empa et première auteure de l'article : "Les multicouches que nous avons développées et qui peuvent être produites par la technique de pulvérisation cathodique peuvent en principe aussi être produites à l'échelle industrielle." Par ailleurs, des systèmes multicouches similaires pourraient éventuellement être utilisés à l'avenir pour construire des dispositifs de stockage de données tridimensionnelles avec une densité de stockage encore plus élevée. Le groupe de recherche a récemment présenté ses travaux dans un article publié dans la célèbre revue "Nature Communications".
La mémoire de racetrack
Le concept de mémoire racetrack a été développé par IBM en 2004. Il consiste à écrire des informations au moyen de domaines magnétiques - c'est-à-dire des zones qui sont magnétiquement alignées de la même manière - à un endroit et à les déplacer rapidement dans la mémoire au moyen de courants. Un bit ici correspond à un de ces domaines. Cette tâche pourrait être accomplie par un skyrmion, par exemple. Le matériau porteur de ces unités d'information magnétiques est constitué de nanofils, qui sont plus de mille fois plus fins qu'un cheveu humain et promettent donc une forme de stockage de données extrêmement peu encombrante. Le transport des données le long des câbles est également extrêmement rapide, à savoir environ 100 000 fois plus rapide qu'une mémoire flash classique et avec une consommation d'énergie bien moindre.
Prof. Dr. Hans-Josef Hug
Magnetic and Functional Thin Films
Tél. +41 58 765 4125
En septembre, un groupe de recherche dirigé par Oksana Zaharko à l'Institut Paul Scherrer a réussi à produire des skyrmions antiferromagnétiques dans un cristal spécialement créé. Les chercheurs ont réussi à détecter les skyrmions avec la source de neutrons SINQ. Communiqué de presse du 23 septembre, 2020