Une équipe internationale de chercheurs de l'Institut Max Planck de Stuttgart, des universités de Southampton, Exeter, Warwick et Cambridge, et des synchrotrons BESSY II, SOLEIL et Diamond, coordonnée par le Pr Hatton de l'Université de Durham, a réussi à imager la structure tridimensionnelle d'un tube de skyrmion. Ce succès permettra d'étudier les mécanismes nanoscopiques qui régissent la formation et la destruction des skyrmions. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.
Les skyrmions, des tourbillons topologiques magnétiques nanoscopiques, sont souvent présentés comme des objets bidimensionnels semblables à des disques. Cependant, on pensait qu'en réalité ils s'étendent à travers l'épaisseur du matériau comme une sorte de long tube, cf Figure 1. En raison des limites des techniques conventionnelles d'imagerie magnétique, il n'avait pas été possible d'imager dans l'espace réel cette dimension verticale de la texture de spin des skyrmions.
Figure 1 : Visualisation en 3 dimensions de 3 skyrmions magnétiques tubulaires, tels que prédits dans les simulations micromagnétiques puis confirmés par les expériences décrites. L’encart montre le point magnétique de Bloch à l’extrémité de chaque tube.
Une équipe internationale de chercheurs du Royaume-Uni, de France et d'Allemagne a surmonté ces obstacles grâce à des techniques de microscopie et d'holographie magnétique de rayons X. « Ces skyrmions en tubes avaient seulement été montrés dans des travaux de simulation » explique Max Birch, doctorant de l'Université de Durham et premier auteur de la publication. « Nous avons trouvé comment imager expérimentalement cette dimension précédemment inexplorée de l'état des skyrmions ».
Les propriétés topologiques des skyrmions magnétiques signifient que seules de très fortes déformations peuvent les impacter, ce qui en fait des candidats possibles pour le stockage de l’information dans de futurs dispositifs. Toutefois, le contrôle efficace de la lecture et de l'écriture des skyrmions nécessite de comprendre leurs mécanismes de formation et de destruction. Le point de départ crucial est leur structure tubulaire : les skyrmions se déroulent en suivant le mouvement de singularités magnétiques appelées points de Bloch, qui agissent comme une fermeture-éclair topologique à l'extrémité de chaque tube de skyrmion. L'imagerie de ces tubes a désormais ouvert la voie vers de nouvelles recherches sur la dynamique régissant ces processus.
Les chercheurs ont utilisé des lamelles de fer-germanium (FeGe) de 120 nanomètres d'épaisseur préparées découpée grâce à un faisceau d'ions focalisés, dans lesquelles ils ont réussi à visualiser la structure tridimensionnelle des tubes de skyrmions. Le FeGe fait partie des aimants chiraux abritant des skyrmions magnétiques découverts récemment.
Entre autres instruments utilisés pour cette expérience, la station COMET de la ligne de lumière SEXTANTS a permis de mettre en œuvre les techniques d'imagerie par holographie de rayons X utilisés dans ces travaux. « L'holographie nous permet de recapturer l'information de phase d'un faisceau de rayons X diffracté. Cette information de phase est généralement perdue, ce qui rend impossible la reconstruction d'une image de l'échantillon à partir de données de diffraction de rayons X » explique Max Birch. « Grâce à sa capacité à refroidir l'échantillon à des températures cryogéniques -jusqu’à 20 degrés Kelvin- la ligne SEXTANTS de SOLEIL est la seule à pouvoir ces mesures. » Cette technique a permis aux chercheurs d'imager des skyrmions d'une taille de 70 nm, soit 100 fois inférieure au diamètre d’un cheveu humain.
Pr. Peter Hatton, le directeur de thèse de Max Birch à l'Université de Durham, a rassemblé une équipe internationale constituée de chercheurs de l'Institut Max Planck pour les Systèmes Intelligents à Stuttgart, des universités de Southampton, Exeter, Warwick et Cambridge, et des experts des sources de rayonnement synchrotron BESSY II en Allemagne, SOLEIL en France, et Diamond Light Source au Royaume-Uni. « Ce projet a été un véritable travail d'équipe interdisciplinaire, avec des contributions d'experts de spécialités très diverses dans la croissance de cristaux, les simulations micromagnétiques, et les méthodes d'imagerie de rayons X » déclare Pr. Hatton. Max Birch conclut que « la faculté à rassembler plusieurs instruments et techniques de rayons X ainsi qu'à tirer parti de leurs capacités uniques a joué un rôle essentiel dans la réussite de ce projet ».