Théorisés dès 1962 par le physicien Tony Skyrme et observés en 2009, les skyrmions sont des quasi-particules prenant la forme de vortex de spins magnétiques sur la surface d’un matériau. Ces agencements particuliers de la matière à l’échelle nanométrique font l’objet de recherches actives au regard de leur potentiel technologique concernant le stockage et le transfert ultrarapide de données. Récemment, une équipe de physiciens sino-américains a montré comment les skyrmions se forment et utilisent un processus de division similaire à celui des cellules vivantes.

Des physiciens du laboratoire Ames du département américain de l’Énergie ont découvert que les skyrmions — un type de quasi-particule dont les propriétés pourraient conduire à la prochaine génération de stockage et de transfert de données — se reproduisent en se divisant d’une manière très similaire à la division cellulaire biologique. L’étude a été publiée dans la revue ACS Nano Letters.

Comprendre la formation des skyrmions pour les utiliser dans de futures technologies

Les skyrmions sont des vortex magnétiques à l’échelle nanométrique, un type de quasi-particules qui sont générées par un courant électrique ultra-faible. En tant que quasi-particules, ils n’ont pas de masse réelle, mais forment un motif périodique très similaire à l’arrangement symétrique des atomes à l’intérieur d’un cristal ou d’un réseau cristallin.

formation skyrmions

Processus de formation (nucléation) chronologique des skyrmions. A) phase hélicoïdale, B) phase conique, C) embryons de skyrmions, D) formation d’un skyrmion isolé, E-H) croissance des skyrmions, I-L) croissance avec réarrangements, M-N) groupe de 9 et 23 skyrmions avec des facettes. Crédits : Tae-Hoon Kim et al. 2020

« Afin d’intégrer les skyrmions dans les futurs appareils, la science doit avoir une compréhension précise de leur mécanisme de formation. Dans cette recherche, nous avons directement prouvé que le cristal de skyrmion se développe à partir d’une phase magnétique conique de la même manière que les vrais nanocristaux se développent à partir d’une solution », explique Lin Zhou, physicien à l’Ames Laboratory Sensitive Instrument Facility.

Un mécanisme d’autodivision permettant de neutraliser les imperfections du réseau

Contrairement à ces structures cristallines réelles, cependant, les skyrmions peuvent neutraliser les imperfections du modèle de réseau par autodivision (similaire à la reproduction cellulaire), une sorte de processus d’autoguérison qui n’a jamais été décrit auparavant. Pour comprendre la physique qui contrôle le mécanisme de croissance que l’équipe a observé, les physiciens ont combiné la simulation micromagnétique avec une méthode de la théorie des cordes pour étudier la force d’interaction et les voies de transition entre les différents états de spin.

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division skyrmions

Processus d’autodivision des skyrmions. Crédits : Tae-Hoon Kim et al. 2020

« Nous avons constaté qu’il existe une force d’interaction compétitive répulsive et attractive entre les skyrmions dans la phase conique qui régit la croissance du réseau de particules de skyrmion. Et, nous avons constaté que le mécanisme d’autofractionnement est plus favorable sur le plan énergétique que la nucléation et la croissance d’un nouveau skyrmion à l’intérieur du réseau défectueux », indique Liqin Ke.

Ces résultats pourraient conduire à un meilleur contrôle et à une meilleure manipulation des skyrmions, ce qui pourrait aider à guider la conception de dispositifs de stockage et de transfert de données à haute densité et économes en énergie.

Source : ACS Nano Letters

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