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Percée en spintronique : libérer la puissance des vortex radiaux

SciTechDaily

Les chercheurs ont développé une méthode pour créer et stabiliser des textures de spin complexes, comme les vortex radiaux, à l'aide de structures supraconductrices et de défauts de surface. Cette avancée pourrait avoir un impact significatif sur la spintronique en permettant l’utilisation de divers matériaux ferromagnétiques et en améliorant le stockage des données et les opérations logiques avec une consommation d’énergie inférieure. Crédit : Issues.fr.com

Une équipe de HZB a étudié chez BESSY II une nouvelle méthode simple qui peut être utilisée pour créer des vortex magnétiques radiaux stables dans des films minces magnétiques.

Dans certains matériaux, les spins forment des structures magnétiques complexes à l’échelle nanométrique et micrométrique dans lesquelles la direction de magnétisation se tord et s’enroule dans des directions spécifiques. Des exemples de telles structures sont les bulles magnétiques, les skyrmions et les vortex magnétiques.

La spintronique vise à utiliser ces minuscules structures magnétiques pour stocker des données ou effectuer des opérations logiques avec une très faible consommation d'énergie, par rapport aux composants microélectroniques dominants d'aujourd'hui. Cependant, la génération et la stabilisation de la plupart de ces textures magnétiques sont restreintes à quelques matériaux et réalisables dans des conditions très particulières (température, champ magnétique…).

Une nouvelle approche

Une collaboration internationale dirigée par le physicien du HZB, le Dr Sergio Valencia, a étudié une nouvelle approche pouvant être utilisée pour créer et stabiliser des textures de spin complexes, telles que des vortex radiaux, dans une variété de composés. Dans un vortex radial, l’aimantation pointe vers ou loin du centre de la structure. Ce type de configuration magnétique est généralement très instable. Dans le cadre de cette nouvelle approche, des tourbillons radiaux sont créés à l'aide de structures supraconductrices tandis que leur stabilisation est obtenue par la présence de défauts de surface.

Textures de spin alignées radialement Île YBCO supraconductrice

L'équipe dirigée par Sergio Valencia a analysé les échantillons par microscopie électronique à photoémission en utilisant XMCD à BESSY II. Les images montrent les textures de spin alignées radialement dans un échantillon rond et carré constitué d'un matériau ferromagnétique sur un îlot YBCO supraconducteur. La flèche blanche montre le faisceau de rayons X incident. Crédit : ©HZB

Îles YBCO supraconductrices

Les échantillons sont constitués d’îlots de taille micrométrique constitués du supraconducteur à haute température YBCO sur lesquels un composé ferromagnétique est déposé. En refroidissant l'échantillon en dessous de 92 Kelvin (-181 °C), YBCO entre dans l'état supraconducteur. Dans cet état, un champ magnétique externe est appliqué et immédiatement supprimé. Ce processus permet la pénétration et le blocage des quanta de flux magnétique, ce qui crée à son tour un champ magnétique parasite. C'est ce champ parasite qui produit de nouvelles microstructures magnétiques dans la couche ferromagnétique sus-jacente : des spins émanent radialement du centre de la structure, comme dans un vortex radial.

Le rôle des défauts

À mesure que la température augmente, YBCO passe de l’état supraconducteur à un état normal. Ainsi, le champ parasite créé par les îles YBCO disparaît, tout comme le vortex radial magnétique. Cependant, les chercheurs et collaborateurs du HZB ont observé que la présence de défauts de surface empêche que cela se produise : les tourbillons radiaux conservent partiellement l’état imprimé, même à l’approche de la température ambiante.

« Nous utilisons le champ magnétique généré par les structures supraconductrices pour imprimer certains domaines magnétiques sur les ferromagnétiques placés dessus, et les défauts de surface pour les stabiliser. Les structures magnétiques s'apparentent à celles d'un skyrmion et sont intéressantes pour les applications spintroniques », explique Valencia.

Questions de géométrie

Les vortex imprimés plus petits mesuraient environ 2 micromètres de diamètre, soit environ dix fois la taille des skyrmions typiques. L’équipe a étudié des échantillons à géométrie circulaire et carrée et a découvert que les géométries circulaires augmentaient la stabilité des vortex radiaux magnétiques imprimés.

« Il s’agit d’une nouvelle façon de créer et de stabiliser de telles structures et elle peut être appliquée à une variété de matériaux ferromagnétiques. Ce sont de bonnes nouvelles perspectives pour le développement ultérieur de la spintronique supraconductrice », déclare Valencia.

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