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Étudier les skyrmions de manière originale

Des chercheurs financés par l'UE ont associé la microscopie à effet tunnel et spin polarisé (SP-STM) avec la résonance magnétique, pour étudier et mesurer la rotation de tourbillons magnétiques et des états skyrmioniques.
Étudier les skyrmions de manière originale
Les chercheurs du projet ATOMS (Advanced tools to observe magnetic and dynamical properties of skyrmions and vortices down to the atomic scale) ont mis au point une nouvelle technique pour mesurer la dynamique de la magnétisation jusqu'à l'échelle atomique. L'association de la SP-STM avec la résonance magnétique a permis d'étudier la dynamique de la magnétisation à des fréquences élevées, hors de portée des méthodes classiques de microscopie tunnel.

Le principe était de mélanger une tension radio continue avec la tension de polarisation du microscope à effet tunnel, via une ligne de transmission dédiée. Pour gérer la précession de magnétisation sous la pointe du SP-STM, les chercheurs ont modulé la conductance tunnel avec la fréquence de précession. Ensuite, le courant tunnel (qui correspond à un signal de résonance ferromagnétique), a été redressé et mesuré par des outils classiques. Pour maintenir stable l'amplitude du signal, malgré les effets de câble dépendant de la fréquence, les scientifiques devaient connaître en détail la configuration, et l'adapter. Ils ont ainsi pu élargir la bande passante de la microscopie tunnel jusqu'à 3 GHz.

La première utilisation de cette méthode a consisté à étudier la rotation de tourbillons magnétiques, un système aux propriétés bien connus, dans la plage des fréquences accessibles. Les simulations ont montré que le courant radio nécessaire n'était accessible que dans des conditions extrêmes pour l'effet tunnel, conduisant à des expériences instables.

Les chercheurs du projet ATOMS ont donc décidé d'analyser le mode de rotation skyrmions magnétiques. Par rapport aux tourbillons magnétiques, le courant radio requis pour exciter les états skyrmioniques est très faible, conduisant à des expériences gérables.

Les chercheurs ont sélectionné deux structures de spin, une couche de fer sur de l'iridium (111) (Fe (1 ML)/Ir(111)), et une couche de cobalt sur du ruthénium (001) (Co (1ML)/Ru(0001)). L'étude de la structure Fe (1 ML)/Ir(111) a montré l'existence d'un signal de résonance à 615 MHz.

De son côté, l'étude de la structure (1 ML)/Ru(0001) dans un champ magnétique nul a montré une spirale de spin chirale comme état de base. Il s'agit de la première observation expérimentale d'une structure de spin chirale non colinéaire, stabilisée sur une interface entre un élément métallique 4d et un élément ferromagnétique 3d. Dans les deux cas, les travaux théoriques sont encore en cours, après la fin du projet.

Les skyrmions pourraient intervenir dans de futurs dispositifs radio et de stockage magnétique, et ils ont déjà été utilisés dans des nano-oscillateurs à transfert de spin. Dans ce contexte, les résultats du projet devraient apporter une contribution notable au domaine.

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Mots-clés

Skyrmion, microscopie à effet tunnel et spin polarisé, rotation de tourbillon magnétique, ATOMS
Numéro d'enregistrement: 190947 / Dernière mise à jour le: 2017-01-25