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D’où provient cette force apparemment magique qui maintient l’aimant collé à la porte du réfrigérateur? Pour répondre à cette question, il faut scruter la matière en profondeur. «Imaginez un atome avec des électrons qui gravitent autour du noyau, explique Frithjof Nolting, directeur du Laboratoire de matière condensée au PSI et professeur à l’Université de Bâle. D’un point de vue strictement scientifique, cette image classique est fausse, mais elle est très utile pour la compréhension. » Car ce sont les électrons qui produisent un champ magnétique. Les particules chargées électriquement se meuvent sur leur trajectoire autour du noyau atomique, mais elles ont aussi leur moment cinétique intrinsèque appelé «spin». Ces deux composantes produisent un moment magnétique, que l’on peut se représenter de manière simplifiée comme un bâtonnet magnétique.
«Pour qu’un matériau devienne magnétique vers l’extérieur, il faut que les moments magnétiques de tous les atomes pointent dans la même direction, relève Frithjof Nolting. C’est un mécanisme très compliqué. » Lorsque les moments magnétiques pointent tous dans la même direction, on parle de «ferromagnétisme». Lorsque des moments magnétiques voisins pointent dans des directions opposées, le matériau est antiferromagnétique et non magnétique vers l’extérieur. Les zones où les moments magnétiques sont alignés dans la même direction sont appelées «domaines» et chaque domaine est séparé du voisin par une paroi de domaine.
Dans le stockage magnétique de données sur des disques durs, les bits d’information sont enregistrés sous forme de domaines en couches minces. Un électroaimant qui sert de tête d’écriture modifie chaque fois la direction de magnétisation. Or, Frithjof Nolting et son groupe de recherche ont découvert comment l’on pouvait se passer de ce champ magnétique pour l’écriture: une impulsion laser permet de commuter de manière ciblée la direction de magnétisation des petites structures. Cette méthode serait beaucoup plus rapide que celle qui nécessite un électroaimant et elle consommerait aussi moins d’énergie: un passionnant champ de recherche pour de futures analyses au SwissFEL. Mais on est encore très loin d’une application de cette nouvelle méthode, avertit le physicien, qui s’intéresse avant tout aux connaissances fondamentales que les explorations du nanomonde – de l’ordre du millionième de millimètre – permettent d’accumuler: «C’est un univers où il se produit des phénomènes exotiques qui sont à l’origine des drôles de propriétés de ces nanoaimants», précise-t-il.
Aimants frustrés
Les aimants frustrés en sont un bon exemple. L’idée qui vient spontanément à l’esprit – où l’on transpose dans l’univers de la physique l’état d’âme humain lié à l’impossibilité d’atteindre un état désiré – n’est pas fausse. Mais il n’est pas facile d’expliquer ce que les experts entendent vraiment par là. Frithjof Nolting se sert de ses mains pour illustrer son propos. Il pointe l’index de sa main droite vers le haut et celui de la gauche vers le bas. «Admettons que des moments magnétiques dans un matériau soient orientés de manière antiparallèle, explique-t-il. Comme on le voit ici, avec deux éléments, cela fonctionne. Mais si un troisième élément vient se glisser au milieu, il ne sait pas quelle direction indiquer; il est frustré.»
Les aimants frustrés sont le domaine de spécialité d’Oksana Zaharko, responsable du groupe de recherche Structure des solides au PSI. Elle poursuit la comparaison avec les trois éléments: «Nous avons un système où deux grandes forces s’affrontent, dit-elle. Et quand les deux grandes se font la guerre, la petite troisième en profite. C’est précisément ce qui se passe dans les systèmes frustrés.» Le système d’Oksana Zaharko est un minuscule cristal, un joli octaèdre métallique, tout juste visible à l’oeil nu, qui réunit trois éléments: du manganèse, du scandium et du soufre. Vu le conflit qui existe entre les directions des moments magnétiques dans ce cristal antiferromagnétique, une dépendance de la direction apparaît: c’est ce qu’on appelle une «anisotropie». «C’est elle, notre troisième larronne», explique Oksana Zaharko. L’anisotropie entraîne la formation de minuscules tourbillons dans l’alignement des moments magnétiques.
Minuscules tourbillons
Ces étonnantes nanostructures qui résultent de la frustration portent le nom exotique de «skyrmions». «Dans la communauté scientifique, certaines idées se propagent comme un virus, mais un gentil virus, relève la physicienne. C’est le cas des skyrmions. Dans le monde entier, d’intenses recherches sont en cours dans ce domaine et je me suis laissé gagner par l’enthousiasme pour ces objets et leurs intéressantes propriétés.» Avec leur cristal, Oksana Zaharko et son groupe ont réussi, en 2020, à générer pour la première fois des skyrmions antiferromagnétiques: une étape importante pour de futures applications potentielles de ces nano-tourbillons dans les technologies de l’information.
Les skyrmions sont considérés comme des unités prometteuses pour un nouveau genre de mémoire informatique. Ils sont nettement plus petits que les domaines qui servent de bits dans les mémoires informatiques conventionnelles. Leur utilisation permettrait de comprimer plus étroitement les données, mais aussi de les écrire et de les lire plus rapidement. «Nos skyrmions sont minuscules et satisfont particulièrement bien à ces exigences», explique Oksana Zaharko. Par ailleurs, les nano-tourbillons récemment découverts sont antiferromagnétiques, comme le cristal. Cela signifie que les moments magnétiques voisins présentent l’alignement suivant: l’un pointe vers le haut et le suivant vers le bas – alors que les moments des skyrmions connus étaient jusqu’à présent parallèles. «Les skyrmions antiferromagnétiques sont plus facilement contrôlables, car, lorsqu’on applique du courant, ils sont moins déviés de leur trajectoire rectiligne que des skyrmions ferromagnétiques, détaille la chercheuse. C’est très utile lorsqu’on cherche à fabriquer un produit.»
Tout cela n’est encore qu’une vision utopique. Car, pour faire apparaître les minuscules tourbillons en question, les scientifiques doivent refroidir leur cristal jusqu’au zéro absolu et le placer dans un champ magnétique très puissant. Oksana Zaharko décrit ainsi la station de mesure à la grande installation de recherche SINQ: «Nous avons ce tout petit échantillon de quelques millimètres et, tout autour, un gigantesque appareillage avec des aimants de plusieurs tonnes. Un contraste incroyable!» C’est là que le cristal est bombardé de neutrons qui se dispersent. A partir des données obtenues, des algorithmes calculent comment les choses se présentent dans le matériau. «Cela nous permet de déterminer la présence de skyrmions, explique la chercheuse. Car nous ne pouvons pas les voir directement.»
Images et films en haute résolution
Les chercheuses et chercheurs peuvent visualiser directement les skyrmions à la Source de Lumière Suisse SLS. «Le point fort de notre travail à la SLS réside dans la microscopie à rayons X, avec des résolutions spatiales pouvant atteindre 20 nanomètres», explique Jörg Raabe, responsable du groupe Microspectroscopie. Outre des images en très haute résolution, son équipe crée des films: «Dans le cadre de certaines expériences, nous travaillons également avec une résolution temporelle de l’ordre de 100 picosecondes, autrement dit de 100 billionièmes de seconde», poursuit le physicien. Cela permet de montrer comment les skyrmions magnétiques sont produits et comment ils se meuvent. Cet aspect intéresse des équipes de Grande-Bretagne, d’Allemagne, de Corée, de Chine, de Russie et des Etats-Unis. Avec leurs expériences au PSI, les scientifiques ont mis en évidence que, dans un matériau composé de plusieurs couches d’iridium-cobalt-platine, les skyrmions étaient stables, même sans champ magnétique extérieur, ce qui est important pour des applications potentielles.
Des scientifiques, au PSI, qui utilisent la source suisse de muons SμS étudient, eux aussi, le magnétisme frustré. Les muons sont des particules élémentaires instables qui ressemblent aux électrons, mais qui sont au moins deux cents fois plus lourdes que ces derniers. Si l’on bombarde un matériau de muons, ceux-ci peuvent servir d’autant de sondes locales pour explorer leur environnement magnétique. «Cette méthode est de cent à mille fois plus sensible que d’autres procédés, souligne Hubertus Luetkens, responsable de groupe au Laboratoire de spectroscopie de spin muonique. Au PSI, nous avons d’excellentes possibilités de recherche, avec des installations expérimentales dont certaines sont uniques au monde.» Les scientifiques y ont étudié un cristal fait de cobalt, d’étain et de soufre, qui présente un étrange comportement magnétique. A basses températures, l’alignement des atomes de cobalt est ferromagnétique, alors qu’à des températures plus élevées leur alignement est antiferromagnétique. Les ordres magnétiques rivaux influencent le comportement électronique des matériaux et sont aussi contrôlables par la composition chimique, la pression et un champ magnétique extérieur.
Un tel matériau pourrait se prêter un jour à la fabrication de composants électroniques innovants. Mais la route qui y mène est encore longue. «Du point de vue de la physique, toutes ces études sont très intéressantes, relève Frithjof Nolting. Dans la pratique, en revanche, cela impliquerait un changement complet de technologie et, donc, un travail d’ingénieur gigantesque et des obstacles extrêmement importants. Mais qui sait? Des obstacles, nous en avons déjà franchi beaucoup et, parfois, les choses sont allées plus vite que prévu.»
Texte: Barbara Vonarburg