Observer des cocons skyrmioniques en trois dimensions

Il est désormais possible d’imager en trois dimensions des textures magnétiques de l’ordre de 100 nm, voire de dimensions inférieures. Les équipes du Laboratoire Albert Fert (Palaiseau) et de la ligne de lumière SEXTANTS, en collaboration avec des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Berlin, de l’Université d’Augsbourg et du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (Dresde), ont utilisé une technique d’holographie particulière appelée HERALDO. Cette méthode permet d’acquérir différentes projections d’un échantillon contenant des « cocons » skyrmioniques. La combinaison numérique de ces projections permet ensuite de reconstruire une cartographie tridimensionnelle de l’aimantation à l’intérieur de l’échantillon.

Les textures magnétiques tridimensionnelles (3D) submicrométriques, en particulier celles présentant une topologie et une chiralité particulières, suscitent un regain d’intérêt ces dernières années, notamment grâce aux progrès des techniques d’imagerie. Certaines de ces textures sont topologiquement non triviales, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas être déformées de manière continue pour atteindre un état magnétique uniforme. Cette topologie non triviale est à l’origine de nombreux phénomènes physiques, tels que l’effet Hall des skyrmions (skyrmion Hall effect) ou l’effet Hall topologique (topological Hall effect). La compréhension des interactions chirales qui assurent leur stabilité, ainsi que l’imagerie de leur structure interne en trois dimensions, ont permis de mieux contrôler ces phénomènes.

Parmi les techniques d’imagerie les plus performantes figurent celles reposant sur les rayons X mous. L’énergie des photons est ajustée de manière à ce que l’absorption dépende de l’état magnétique de l’échantillon, ce qui fournit un contraste magnétique avec une résolution spatiale élevée. À SOLEIL, sur la ligne de lumière SEXTANTS, des mesures HERALDO ont été effectuées. Cette technique d’holographie utilise des fentes comme références, plutôt que des trous. L’un de ses principaux avantages est qu’elle permet d’incliner l’échantillon dans le faisceau de rayons X et d’enregistrer ainsi différentes projections de sa structure et de son état magnétique. Après un traitement d’image complexe, comprenant notamment un alignement des projections avec une précision nanométrique, un algorithme récursif permet de reconstruire la distribution tridimensionnelle de l’aimantation (Figure 1).
 

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Figure 1 : Configuration expérimentale de l’imagerie HERALDO. Un porte-échantillon rotatif permet d’acquérir différentes projections de l’échantillon (images latérales). Quatre aimants permanents pilotés par moteur génèrent un champ magnétique réglable qui tourne avec l’échantillon, de sorte que celui-ci reste soumis à un champ constant.


Grâce à HERALDO, une texture magnétique spécifique appelée cocon skyrmionique a été étudiée. Ces cocons sont stabilisés grâce à une ingénierie fine des interactions magnétiques, en particulier de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), de l’anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et de l’énergie de Zeeman induite par un champ magnétique externe. La DMI et la PMA sont liées à des effets interfaciaux que l’équipe Spintronique du Laboratoire Albert Fert étudie depuis de nombreuses années et maîtrise dans les multicouches à base de Pt|Co|Al.

Les multicouches sont fréquemment utilisées afin d’accroître la stabilité des textures magnétiques ou d’amplifier le signal, grâce à la répétition régulière de bicouches ou de tricouches identiques. En 2020, les scientifiques ont commencé à explorer l’utilisation de multicouches apériodiques afin de moduler l’intensité des interactions en fonction de l’épaisseur de l’empilement. Cette approche leur a permis de stabiliser de nouvelles textures magnétiques. En concevant des multicouches dont l’anisotropie est réduite dans leur région centrale (grâce à une variation de l’épaisseur de la couche de cobalt), ils ont stabilisé des cocons skyrmioniques, qui constituent une version discrétisée des torons, également appelés chaînes dipolaires (dipole strings).

À l’aide de HERALDO, les scientifiques ont imagé un échantillon constitué de deux multicouches apériodiques hébergeant des cocons, couplées à une multicouche périodique présentant une anisotropie perpendiculaire plus élevée. Cette configuration permet aux textures magnétiques de potentiellement s’étendre sur l’ensemble de l’empilement multicouche. L’utilisation de nickel dans la région à forte PMA, en tirant parti de la sélectivité chimique de la technique, a permis de déterminer si cette région était renversée magnétiquement ou non, confirmant ainsi les reconstructions tridimensionnelles (Figure 2).
 

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Figure 2 : Texture d’aimantation reconstruite. L’aimantation hors plan (mz) de la couche la plus basse est représentée en rouge (mz < 0) et en bleu (mz > 0). Les isosurfaces correspondant à mz= 0 apparaissent sous forme de surfaces grises semi-transparentes, tandis qu’une paire de cocons est mise en évidence. La direction de l’aimantation dans le plan est représentée par des flèches colorées.


Comme les scientifiques ont pu l’observer, bien que l’analyse par corrélation de coquilles de Fourier (Fourier shell correlation), méthode standard d’estimation de la résolution des reconstructions 3D, indique une résolution proche de 30 nm, quelques écarts subsistent et montrent que la reconstruction n’est pas encore parfaite. Ces imperfections proviennent notamment du fait que le faisceau direct est masqué, ce qui supprime les basses fréquences spatiales et altère ainsi le calcul de chacune des projections.

La reconstruction tridimensionnelle de textures magnétiques de moins de 90 nm demeure néanmoins une véritable prouesse expérimentale.