Faire éclater des bulles - Un examen holographique des « biskyrmions magnétiques » sur SEXTANTS

Les skyrmions magnétiques sont des vortex magnétiques nanoscopiques qui promettent de nouvelles applications passionnantes en spintronique grâce à leurs propriétés topologiques et de transport novatrices. Dans le cadre d'une collaboration récente entre l’équipe de la ligne de lumière SEXTANTS, le Projet Skyrmion du Royaume-Uni et l'Université d'Exeter, des chercheurs ont utilisé l'holographie cohérente résonante de rayons X pour étudier l'état de double skyrmions appelé biskyrmion. Des images holographiques à haute résolution de l'état magnétique ont été réalisées, ce qui a permis de conclure que les biskyrmions pourraient être des bulles magnétiques jusqu'à maintenant mal identifiées.

Les signalements initiaux de la texture du biskyrmion provenaient tous de mesures par microscope électronique à transmission de Lorentz (LTEM), une technique courante d'imagerie électronique qui est sensible aux composantes transverses (dans le plan de l’échantillon) de la densité de flux magnétique. Cette approche offre une haute résolution spatiale d'environ 2 nm, mais n'image pas directement l’aimantation d'un échantillon.

Dans cette étude, afin de sonder directement la texture du biskyrmion, une technique holographique appelée HERALDO (« Holography with Extended Reference by Autocorrelation Linear Differential Operator » ou Holographie avec référence étendue par opérateur différentiel linéaire d'autocorrélation) a été utilisée (Fig. 1). Le contraste magnétique est produit par dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD), dans lequel les rayons X mous fournis par la ligne de lumière SEXTANTS sont accordé au seuil d’absorption de l’élément magnétique et mis en polarisation circulaire de manière à devenir sensibles à la magnétisation parallèle au faisceau de rayons X. A partir de la figure de diffusion cohérente, il est possible de reconstruire une image de l’aimantation dans l'espace réel. Cette méthode holographique a l'avantage d'offrir des temps d'acquisition rapides et une résolution impressionnante de 23 nm a été obtenue dans cette étude.

Figure 1 : Schéma du dispositif HERALDO. On utilise la différence de transmission entre rayons X cohérents polarisés circulairement et en sens opposé traversant l'échantillon et puis l’interférence de ces rayons avec un faisceau de référence passant une ouverture linéaire vide, qui forment une figure de diffraction holographique.  Une image dans l’espace réel de l'état magnétique est reconstruite en effectuant un filtrage différentiel et en appliquant l'algorithme à transformée de Fourier.

Le résultat principal de cette étude est que par une analyse combinée d’imagerie holographique de rayons X, d'images LTEM et de simulations micromagnétiques, les signalements précédents de biskyrmions peuvent être qualifiés de mauvaises identifications de bulles magnétiques de type II, qui ne présentent pas l'enroulement topologique d'un skyrmion (Fig. 2).

Figure 2 : a) Un hologramme de rayons X d'un réseau d'objets dans l'état « biskyrmion ». La barre d'échelle représente 500 nm. b) Une comparaison entre l'image obtenue par holographie X avec des schémas théoriques de biskyrmions et de bulles de type-II.

Il a été montré que le biskyrmion ne constitue vraisemblablement pas une configuration magnétique stable, et qu'il n'est pas nécessaire d'y avoir recours pour expliquer les mesures précédentes. En faisant varier la température et le champ magnétique appliqués à l'échantillon, il a été possible d'examiner de nombreuses configurations magnétiques possibles dont aucune ne correspondait à la structure attendue à deux cœurs d'un biskyrmion (Fig. 3.).

Figure 3 : Série d'hologrammes magnétiques de rayons X suite à un balayage de champ magnétique à température ambiante. Des bandes magnétiques se contractant jusqu'à former des bulles sont visibles. La barre d'échelle représente 500 nm.

Dans un contexte plus large, cette étude a des conséquences pour la stabilité de certains états magnétiques topologiques, mais elle a aussi montré que l'holographie cohérente résonante de rayons X constitue une technique d'imagerie magnétique robuste et fiable. En y ajoutant la possibilité d'enregistrer le comportement dynamique via l'holographie, l'avenir de la diffusion magnétique à SOLEIL s'annonce brillant et pétillant.

Nous remercions pour leur soutien financier le Projet Skyrmion du Royaume-Uni, le programme de subvention EPSRC (EP/N032128/1) et le projet d'infrastructure européen OpenDreamKit Horizon 2020 (#676541).